落麻纤维增强聚乙烯复合材料的制备及性能研究

论文摘要

通过天然纤维增强高分子树脂基体可以得到机械性能与玻璃纤维增强相媲美的复合材料，并且其生产工艺简单、成本低廉、能耗较低、同时作为环境友好型材料也迎合了环保的要求，现如今在国内外诸多行业均有应用。传统的麻纤维应用中，落麻纤维尤其在国外通常被当作废物丢弃，但是落麻纤维具有与常用长麻纤维相媲美的比强度、比模量，同样可以作为复合材料的增强材料将其变废为宝。本文采用苎麻落麻纤维增强高密度聚乙烯（HDPE）树脂基体，同时综合考虑落麻纤维堆密度小、体积大并且在树脂基体中难于分散的缺点，采用了密炼混合-挤出与直接连续纤维混入挤出两种制备方式。着重研究了天然纤维增强复合材料的几个关键问题：纤维含量、纤维分散以及纤维与树脂基体之间的界面粘结情况。通过机械性能测试得出在质量分数0-20%的范围内增加纤维含量能够提高复合材料的拉伸和弯曲性能，同时借助热学和动态力学测试进一步分析验证其含量提高对复合材料热稳定性及动态性能的影响。对比两种不同相容剂MAH-g-PP和XRJ的增强效果，选择对天然纤维增强复合材料性能的促进作用更为明显的相容剂（MAH-g-PP），进一步具体讨论其添加量（0-20%wt）对复合材料机械性能、热稳定性以及动态力学的作用。并通过扫描电镜（SEM）从微观结构上考察相容剂对树脂基体与纤维之间界面的增容作用。在动态力学测试中引入界面强度系数，通过具体的数值计算进一步说明MAH-g-PP对纤维与基体树脂之间界面粘结的提高。通过傅里叶-红外扫描（FTIR）研究纤维与相容剂在微观范围内的成键反应，由此得出其提高纤维与树脂之间界面相容性的原理，并引入微元力学模型，说明纤维在复合材料微元承载应力所起的增强作用，由此探究纤维增强聚乙烯基体的作用机理。研究中还考察了一次造粒和二次造粒两种不同制备工艺对复合材料机械性能的影响，并分析了在挤出造粒工艺过程中不同螺杆转速和挤出加工温度对材料性能的影响情况。此外，为拓宽复合材料的应用，研究了AC发泡剂对复合材料密度和机械性能的影响，并考察了连续落麻纤维增强PE复合材料的机械特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 天然纤维的概况
• 1.2.1 天然纤维的来源、分类
• 1.2.2 天然纤维的化学组成
• 1.2.3 天然纤维的物理性能
• 1.2.4 天然纤维的机械性能
• 1.3 不同基体树脂的天然纤维复合材料
• 1.3.1 以热固性树脂作为基体
• 1.3.2 以热塑性树脂作为基体
• 1.4 天然纤维增强复合材料的应用
• 1.4.1 汽车行业
• 1.4.2 建筑领域及其他行业
• 1.5 天然纤维复合材料的制备
• 1.5.1 天然纤维复合材料粒料的制备工艺
• 1.5.2 成型工艺
• 1.6 制备天然纤维复合材料的关键性问题
• 1.6.1 天然纤维复合材料的吸湿性
• 1.6.2 天然纤维在复合材料中的分散性
• 1.6.3 复合材料中天然纤维与树脂基体的界面粘结
• 1.6.4 天然纤维复合材料的热稳定性
• 1.7 本文的研究目的、意义及内容
• 1.7.1 本文研究的意义
• 1.7.2 本文的研究目的和内容
• 第二章 工艺过程的难点分析和解决方案
• 2.1 纤维与其他物料的混合
• 2.1.1 落麻纤维与偶联剂的混合
• 2.1.2 落麻纤维与原料的混合
• 2.2 纤维的喂料问题
• 2.2.1 强制喂料装置
• 2.2.2 密炼机——挤出机/注塑机双阶工艺流程
• 2.2.3 改变纤维形态
• 2.3 纤维在基体中的分散
• 2.3.1 通过添加物料增进纤维的分散
• 2.3.2 通过机械方法改善纤维的分散
• 2.4 本章小结
• 第三章 实验原料、设备、方案和性能测试方法
• 3.1 原料的选择
• 3.1.1 树脂基体
• 3.1.2 苎麻落麻纤维
• 3.1.3 相容剂
• 3.1.4 硅烷偶联剂
• 3.2 实验设备
• 3.3 技术路线
• 3.4 试样制备
• 3.5 性能测试
• 3.5.1 力学性能测试
• 3.5.2 扫描电镜观察（SEM）
• 3.5.3 傅里叶-红外扫描（FTIR）
• 3.5.4 动态力学分析（DMA）
• 3.5.5 热重分析（TGA）
• 3.5.6 差示扫描量热分析（DSC）
• 第四章 落麻纤维含量对复合材料性能的作用
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 纤维含量对复合材料机械性能的作用
• 4.2.2 纤维含量对复合材料的热稳定性的作用
• 4.2.3 纤维含量对复合材料的结晶度的作用
• 4.2.4 纤维含量对复合材料动态力学性能的作用
• 4.2.5 麻纤维增强复合材料的机理研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 相容剂对复合材料界面粘结、纤维分散及性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 两种相容剂对复合材料机械性能影响的比较
• 5.2.2 MAH-g-PP 对复合材料机械性能的作用
• 5.2.3 不同 MAH-g-PP 含量下复合材料断面微观形貌
• 5.2.4 MAH-g-PP 对复合材料热稳定性的作用
• 5.2.5 MAH-g-PP 对复合材料结晶度的作用
• 5.2.6 MAH-g-PP 对复合材料动态力学性能的作用
• 5.2.7 MAH-g-PP 对复合材料性能作用的机理
• 5.3 本章小结
• 第六章 工艺参数条件对复合材料性能影响的研究
• 6.1 前言及实验方法
• 6.2 实验结果分析
• 6.2.1 螺杆转速
• 6.2.2 挤出工艺温度
• 6.2.3 二次造粒
• 6.3 本章小结
• 第七章 短麻纤维增强 HDPE 微发泡和连续麻纤维增强 HDPE 的研究
• 7.1 天然纤维增强复合材料的发泡研究
• 7.1.1 研究结果分析讨论
• 7.2 采用连续纤维增强 HDPE 的研究
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 全文总结
• 8.2 课题有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 已发表学术论文
• 作者及导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书