（车辆工程专业论文）氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究.pdf

s t u d yo nt h er a m i ef i b e rm o d i f i e dw i t ha m i n os i l i c o n eo i la n d t h er a m i ef i b e r p pc o m p o s i t e sf o ra u t o m o b i l ei n t e r i o r b y z h o uh a i y e b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh el i p i n ga n ds e n i o re n g i n e e rd o n gs h e n g s h u n m a y ，2 0 1 1 加 伽4 7 删1m y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：同语涉 日期：纱7 年，月 z , , 6h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：加年 日期：加年 厂月纱日 ，月劾日 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 摘要 天然麻纤维增强聚丙烯复合材料是一种新型的汽车内饰材料，具有安全环保、 可回收、质量轻等特点，近年来引起了国内外的广泛关注。天然纤维取代玻璃纤 维和碳纤维作为复合材料的增强体，符合汽车轻量化和绿色环保的要求。 苎麻纤维原产于我国，具有杨氏模量高、单纤强度大、可降解、来源广泛和 价格低廉等特点。然而由于苎麻纤维表面含有大量羟基，呈亲水性，因而与疏水 性的聚丙烯树脂相容性较差，从而影响复合材料的综合性能。因此，要想提高复 合材料的综合性能，就必须要对苎麻纤维进行表面改性，降低苎麻纤维的亲水性， 提高其与基体树脂的界面相容性。 本论文采用氨基硅油对苎麻纤维进行表面改性，制备了性能优良的改性苎麻 纤维。采用红外光谱、接触角测试、x 射线衍射、热重分析、扫描电子显微镜等 方法研究改性前后苎麻纤维的结构及性能。结果表明：改性后氨基硅油接枝到了 苎麻纤维表面，降低了苎麻纤维的亲水性，提高了苎麻纤维的结晶性和耐热性； 改性后的苎麻纤维表面杂质减少，有利于其与基体树脂的界面结合。 将改性前后的苎麻纤维按2 5 的纤维含量与聚丙烯进行共混注射成型，研究 了改性对复合材料性能的影响。结果表明：最佳的改性温度为8 0 。c ；改性后，复 合材料的性能明显提高，其中，拉伸强度提高了2 0 0 8 ，弯曲强度提高了1 7 8 1 ， 冲击韧性提高了3 9 3 9 ，断裂伸长率提高了3 8 7 7 ，耐热性能也有显著的提高； 扫描电镜图分析表明，改性明显提高了苎麻纤维与聚丙烯树脂的界面相容性。 另外，本论文研究了不同纤维含量对苎麻纤维聚丙烯复合材料性能的影响。 结果表明：随着纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度呈上升的趋势， 冲击韧性和断裂生长率呈降低的趋势，当纤维含量为3 0 时，拉伸强度和弯曲强 度达到最优；试验测得苎麻纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸强度最高达 2 8 6 6 m p a ，弯曲强度最高达3 5 8 3 m p a ，冲击韧性最高达7 7 7 k j m 2 ，力学性能满 足汽车内饰材料的要求。 关键词：苎麻纤维；氨基硅油；聚丙烯；力学性能；汽车内饰 i i a b s t r a c t n a t u r a lf i b e rr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n ec o m p o s i t e si s an e wt y p eo fa u t o m o t i v e i n t e r i o rm a t e r i a l s i nr e c e n ty e a r s ，t h e s em a t e r i a l sh a v ea t t r a c t e d l o t so fa t t e n t i o n n a t u r a lf i b e ri sak i n do fp r o m i s i n gm a t e r i a l sw h i c hc a ni m p l a c et h e 9 1 a s sf i b e ra n d c a r b o nf i b e ra st h er e i n f o r c e m e n tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fl i g h ta n de n v i r o n m e n t a l f r i e n d l yi na u t o m o b i l ei n d u s t r y r a m i ef i b e r si san a t u r a lm a t e r i a l s i tc a nb ee f f e c t i v e l ys o l v e t h ee n e r g ys o u r c e s c r i s i sf o ra u t o m o b i l ei n d u s t r yd u et oi t sl i g h tw e i g h t ，g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，1 0 w p r l c e ，r e c y c l a b l ea n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yf e a t u r e s ，w i d er a n g eo f s o u r c e sa n ds oo n h o w e v e r ，d u et ot h er a m i ef i b e r ss u r f a c ec o n t a i n i n ga l a r g en u m b e ro fh y d r o x v l ，t h e i n t e r f a c i a la d h e s i o no ft h er a m i ef i b e ra n dr e s i nm a t r i xi sn o tg o o d e n o u 曲，t h u si t a f f e c t st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t e m a t e r i a l s t h e r e f o r e ，t oi m p r o v et h e p e r i b 姗a n c eo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，i ti s n e c e s s a r yt om o d i f yt h es u r f a c e p r o p e r t i e so fr a m i ef i b e r ，r e d u c et h eh y d r o p h i l i c i t yo fr a m i ef i b e ra n di m p r o v et h e i n t e r f a c ec o m p a t i b i l i t yo ft h er a m i ef i b e ra n dm a t r i xr e s i n i nt h i st h e s i s ，a m i n os i l i c o n eo i l w a s u s e dt o m o d i f yr a m i ef i b e r s ，a n dt h e m o d i f i c a t i o nh a di m p r o v e dt h ei n t e r f a c ec o m p a t i b i l i t yo ft h er a m i ef i b e ra n dm a t r i x r e s i n t e c h n i q u e s ，s u c ha si n f r a r e dr a y ( i r ) ，c o n t a c t a n g l em e a s u r e m e n t ，x r a v d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，t h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s ( t g ) a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，w e r ee m p l o y e dt os t u d yt h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fr a m i ef i b e r t h er e s u i t ss h o w e dt h a ta f t e rm o d i f i c a t i o n ，t h ea m i n os i l i c o n eh a sg r a f t e do n t o t h e s u r f a c eo fr a m i ef i b e rs u r f a c e m o d i f i c a t i o nh a sr e d u c e dt h e h y d r o p h i l i c i t yo fr a m i e f i b e r , 1 n c r e a s e dc r y s t a l l i n i t ya n dt h e r m a l p r o p e r t yo fr a m i ef i b e r ，r e d u c e dt h e 1 m p u r i t i e so fr a m i ef i b e r s i g n i f i c a n t l y ，t h e s ec h a n g e sw i l lb e n e f i tt h eb o n d i n g s t r e n g t hb e t w e e nf i b e ra n dp p 。 i nt h sw o r k ，t h ei m p a c to fm o d i f i c a t i o no nt h ep r o p e r t i e so f t h em o d i f i e dr a m i e f i b e rr e i n f o r c e dp p c o m p o s i t e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a l t e m p e r a t u r ef o rm o d i f i c a t i o ni s 8 0 a f t e rm o d i f i c a t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo f c o m p o s l t em a t e r i a l sa r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y ，a m o n gt h e m ，t h et e n s i l es t r e n g t hi s l n c r e a s e db y2 0 0 8 ，t h e b e n d i n gs t r e n g t hb y17 81 ，t h e i m p a c tt o u g h n e s sb v 3 9 t 3 9 ，t h ee l o n g a t i o nr a t eb y3 8 7 7 ，r e s p e c t i v e l y t h et h e r m a l p r o p e r t yi sa l s o l m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y s e ma n a l y s i si n d i c a t e dt h a tm o d i f i c a t i o nh a di m p r o v e dt h e r f r 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 i n t e r f a c i a lc o m p a t i b i l i t yo fr a m i ef i b e ra n dp o l y p r o p y l e n er e s i ns i g n i f i c a n t l y i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t to ff i b e rc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw a s a l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t hw e r e a p p a r e n t l yi m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff i b e rc o n t e n t a n y w a y ，w h i l et h ei m p a c t s t r e n g t ha n de l o n g a t i o nb e h a v i o r sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ff i b e ra d d i t i o n t h e o p t i m i z a t i o nv a l u eo ff i b e rc o n t e n ti so f30 w t t h em a x i m a lt e n s i l es t r e n r t h ， b e n d i n g ls t r e n g t ha n di m p a c ts t r e n g t hi s2 8 6 6 m p a ，3 5 8 3 m p a ，a n d7 7 7 k j m z ， r e s p e c t i v e l y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em o d i f i e dr a m i ef i b e rr e i n f o r c e dp p c o m p o s i t e sm e e tt h er e q u i r e m e n t so fa u t o m o t i v ei n t e r i o rm a t e r i a l s k e yw o r d s ：r a m i ef i b e r ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；p o l y p r o p y l e n e ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；a u t o m o b i l ei n t e r i o r i v 工程硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 汽车工业的发展现状1 1 2 汽车内饰材料的发展现状及面临的问题1 1 3 天然麻纤维复合材料在在汽车工业中的应用现状2 1 4 天然麻纤维复合材料的研究现状5 1 5 聚丙烯在汽车工业上的应用现状6 1 6 论文的研究意义和研究内容8 1 6 1 论文的研究意义8 1 6 2 论文的研究内容和主要创新点8 第2 章苎麻纤维改性工艺及表征方法1 0 2 1 苎麻纤维1 0 2 1 1 苎麻纤维的组成与结构1 0 2 1 2 苎麻纤维的特性一1 1 2 2 试验原料及仪器1 2 2 2 1 改性试剂1 2 2 2 2 主要仪器1 3 2 3 苎麻纤维改性工艺1 3 2 3 1 苎麻纤维的脱胶处理1 3 2 3 2 改性乳液的配置1 4 2 3 3 苎麻纤维接枝改性1 4 2 4 测试仪器与方法1 5 2 4 1 苎麻纤维红外光谱表征1 5 2 4 2 苎麻纤维接触角测试分析1 5 2 4 3 苎麻纤维x r d 衍射分析1 7 2 4 4 苎麻纤维热重分析1 8 2 4 5 苎麻纤维s e m 扫描18 2 5 本章小结1 8 第3 章改性前后苎麻纤维性能分析及改性原理探究1 9 v 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 3 1 改性对苎麻纤维表面结构的影响1 9 3 2 改性对苎麻纤维表面极性的影响2 0 3 2 改性对苎麻纤维结晶度的影响2 2 3 4 改性对苎麻纤维耐热性能的影响一2 3 3 5 改性对苎麻纤维表面形貌的影响2 4 3 6 氨基硅油改性原理探究2 6 3 6 1 苎麻纤维极性改性原理2 6 3 6 2 苎麻纤维结晶性改性原理2 7 3 7 本章小结2 7 第4 章苎麻纤维增强聚丙烯复合材料的研究2 9 4 1 汽车内外饰所用材料的力学性能要求2 9 4 2 复合材料试样的制备3 0 4 2 1 试验设备3 0 4 2 2 试样制备流程一31 4 2 3 试验工艺一3 2 4 3 测试与表征方法3 4 4 3 1 拉伸性能测试3 4 4 3 2 冲击强度测试一3 5 。4 3 3 弯曲强度测试3 6 4 3 4 微观结构分析3 7 4 3 5 热性能分析一3 7 4 4 不同改性温度对苎麻纤维增强聚丙烯复合材料性能的影响3 7 4 4 1 不同改性温度对复合材料强度的影响3 7 4 4 2 不同改性温度对复合材料的冲击韧性的影响一3 9 4 4 3 不同改性温度对复合材料的断裂伸长率的影响一4 l 4 4 4 不同改性温度对复合材料的耐热性能的影响一4 1 4 5 不同含量的苎麻纤维增强聚丙烯复合材料的性能研究一4 3 4 5 1 不同纤维含量对复合材料抗拉强度的影响4 3 4 5 2 不同纤维含量对复合材料弯曲强度的影响4 5 4 5 3 不同纤维含量对复合材料冲击韧性的影响4 6 4 5 4 不同纤维含量对复合材料断裂伸长率的影响4 7 4 6 本章小结一4 8 结论与展望5 0 参考文献5 2 致 谢5 6 v i 工程硕士学位论文 1 1 汽车工业的发展现状 第1 章绪论 汽车工业是现代工业中产值最高、关联度和产业链最长的制造行业，是大国 工业化后期带动经济增长、实现工业化所必需的主导产业，至今仍是美、日、德 等发达国家举足轻重的支柱产业。汽车工业不仅反映一国工业发展的综合水平， 而且能不断吸纳其他技术领域的先进成果，因此被称为“工业中的工业【l 】。 经过半个多世纪的发展，中国汽车工业己经初具规模，且逐渐成为全球关注 的焦点。作为一个国家的支柱产业和主导产业，汽车工业占整个工业和国民经济 的比重很大，起着举足轻重的作用。据统计，2 0 0 2 年中国汽车年产量仅为2 0 0 万辆， 至2 0 0 6 年就已跃升至7 0 0 万辆，2 0 0 8 年达n 9 3 4 万辆，据中国汽车工业协会统计， 2 0 1 0 年，汽车产销分别达到1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，蝉联全球第一，同比增 长3 2 4 4 和3 2 3 7 【2 j 。在过去的几年内，我国汽车年增长率保持在1 5 左右，预 计蛩3 2 0 2 0 年，我国汽车年产销将达2 0 0 0 万辆，占全球份额的2 5 左右，汽车产业 增加值占g d p 的比重将达n 3 以上【3 】。 汽车工业作为国民经济的支柱产业，其发展越来越受到各国政府的高度重视， 但是随着环境的不断恶化，节能、环保、轻量化也成为汽车工业发展的主题，研 究开发环保、可回收、轻量化的车用材料，已成为现在汽车产业发展亟待解决的 问题之一。麻纤维增强聚丙烯复合材料作为一种环保、可回收、轻量化的内饰材 料，受到了汽车制造业的青睐。 1 2 汽车内饰材料的发展现状及面临的问题 近年来，世界汽车保有量与日俱增，正以越来越大的影响力改变着人们的工 作和生活，汽车工业的飞速发展面临三大问题：能耗、环保和安全。随着环境保 护意识的增强和车辆的日趋高档化，研究可以回收利用、材质安全性高、加工方 便和成本低的新材料、新工艺是丰富现代汽车内饰材料的迫切需要【4 1 。由于汽车 内饰非常直观，其真面目可以一览无遗，代表了整车的形象，孰优孰劣，不仅决 定着汽车的声誉与档次，也在很大程度上决定着人们选择汽车的意向【4 1 。 乘用汽车内饰材料选用不当，会释放出大量有害物质，长期在这样的环境里 驾车或乘坐便会产生失眠、恶心、胸部紧束感、免疫力下降、注意力不集中和爱 流眼泪等不良的身体反应pj ，严重的会使人体造血机能受到损害引起再生障碍性 贫血病，这些症状统称为驾车综合症。目前，世界卫生组织已经将车内空气污染 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 与高血压、艾滋病等共同列为人类健康的1 0 大威胁。 以现有的聚氨酯( p u ) 、聚氯乙烯( p v c ) 、以及玻璃纤维为主要成分的汽 车内饰件虽然比强度较高，拉伸强度达至l j 4 0 0m p a 以上【6 1 ，但其缺点同样不容忽视。 首先，以化学纤维为增强体的复合材料普遍含有对人体有害的物质，如甲醛、苯、 甲苯等各种挥发性有机物，这些化学纤维内饰件燃烧时会释放出大量令人窒息的 有毒气体，是汽车发生事故性火灾时的“第一杀手”，此外，以化学纤维为增强 体的复合材料还存在加工困难、耗能大、易造成环境污染、不可回收等缺点【7 j 。 所以，这种材料不符合汽车未来发展的方向。因此，汽车工业的发展对车用内饰 材料提出了质优、轻量化、环保、安全的需求【8 1 ，研发高性能环保内饰新材料已 成为新材料及内饰件产品研究领域的重要方向之一。 生态复合材料是一种采用天然生物纤维( 如：大麻、苎麻、亚麻、剑麻等纤 维) 增强高聚物( 如：聚丙烯、聚乙烯) 的复合材料，它具有密度小、可回收、 隔热吸音性好，能量吸收力好，耐冲击，在破碎时不会产生锐利碎片等优点，也 不像玻璃纤维那样会引起皮肤及呼吸道过敏反应，同时麻纤维加强部件的成本比 强化玻璃纤维部件低5 ，使用麻纤维增强材料可以使发动机的重量减轻1 0 咿】。 将环保生物质材料应用于汽车内饰件及部分零部件可以减轻车身重量，减少能源 消耗，提高车辆碰撞时的安全性，提高车内空气质量。因此这种材料符合汽车未 来发展的方向。 1 3 天然麻纤维复合材料在在汽车工业中的应用现状 天然纤维作为增强材料在复合材料中的应用已经成为各国研究的热点，正以 惊人的速度增长，欧洲汽车工业大力发展麻纤维复合材料，大量采用麻纤维聚丙 烯复合材料加工汽车内装饰板【l0 1 。 天然纤维应用的研究工作主要集中于天然纤维热塑性树脂复合材料的研究开 发。欧美、日本及印度等国的研究比较活跃，也取得了一定的研究进展。以德国 b a s f 公司的研究工作为例，该公司采用黄麻、亚麻和剑麻纤维作为增强材料与聚 丙烯等热塑性塑料复合，制备出天然纤维毡增强复合材料j ，其重量为5 0 0 1 8 0 0 g m 2 ，比玻璃纤维增强热塑性塑料轻1 7 ，可作为轿车的内饰件、吸音板、备用 轮罩等，如图1 1 所示。德国麻纤维增强复合材料的主要种类、用途及研发者和使 用者见表1 1 。 k a f u s 环境工业公司开发的洋麻增强材料可代替玻璃纤维增强塑料，用于汽 车工业。洋麻增强材料具有良好的冲击强度，比玻璃纤维增强材料轻2 0 3 0 ，在 高温高湿下变形很少。该公司用该复合材料生产的产品的产品包括车门面板、座 椅靠板、顶篷、行李架等。该公司的汽车内饰材料用于s a a b 、r e n a u l t 、v o l v o 和 f o r d 等汽车。图1 2 为使用麻纤维复合材料生产的车门内板和仪表盘。 2 工程硕士学位论文 7 。 ，： ， ， 图1 1 使用麻纤维复合材料作为汽车内饰件的奔驰轿车幻 表1 1 德国麻纤维增强复合材料的主要用途“如 注：n v h 是指表征轿车降噪、减重、适度的综合指标 奔驰公司称，天然纤维增强材料应用于汽车可减重1 0 ，制造同类产品可节 能8 0 ，价格比玻纤增强材料降低5 ，宝马公司也使用苎麻聚丙烯复合材料制 造行李箱体等【9 j 。 我国在开发天然纤维复合材料上起步较晚，但目前也取得的一定的成绩，我 国的汽车行业也已逐渐开始生产和使用绿色环保的麻纤维复合材料汽车内饰件。 例如，河南固始华瑞汽车内饰件有限公司已经生产汽车专用麻纤维聚丙烯复合材 料、麻毡等产品，并为一汽集团、天汽集团、吉利集团上线配套。 北京玻璃钢研究设计院应用r t m 模压工艺生产了天然纤维增强树脂复合材料 汽车外装件，采用熔融浸渍法和溶液浸渍法制造了天然纤维热塑性板材，该公司 为中国重汽和江淮瑞风研制开发出新型环保汽车内饰件。 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 图1 2 使用麻纤维复合材料生产的车门内板和仪表盘垤3 岛j 一j “7 。蛩“2 。o ”獠 豢 图1 3 装配有天然麻纤维内饰的中华轿车 中华轿车2 4 l 新车型，内饰材料兼顾美观与实用，在门板、顶篷和行李箱内 侧均选用新型环保的麻纤维材料，而部分内饰采用的世界领先的等离子加速植绒 技术，在国内还是首次用于汽车内饰l l 。 综上所述，汽车用天然纤维增强材料的开发研究已得到国外同行的极大关注， 并且已经取得了一定的成绩，因此也应该引起我国汽车工业的高度重视。虽然目 前我国的非织造材料生产企业已经可以满足汽车整机厂配套所需的各类内饰用非 织造材料。但是与国外的先进水平相比我国汽车内饰材料的研究和开发工作存在 很大差距。因此我国应该利用我国具有丰富麻类资源的优势，增大天然纤维增强 材料的开发力度。 4 工程硕士学位论文 1 4 天然麻纤维复合材料的研究现状 从2 0 世纪9 0 年代始，天然纤维增强复合材料已成为全球研究热点。国外一些 公司对麻纤维复合材料在汽车上的应用研究已取得了较大的进展，并逐步走向产 业化。我国在此方面也进行了深入研究，并取得了一定的研究和应用成果。 张长安等 1 4 - 1 s l 采用甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈接枝，硅烷偶联剂偶联，聚氯乙 烯包覆等方法对苎麻落麻纤维进行表面处理，选取偶联和包覆后的落麻纤维制备 了u p 落麻毡和p p 落麻纤维复合材料，他们的研究结果表明，采用接枝、偶联和 包覆对苎麻纤维进行改性不仅能降低落纤维的吸水速率，而且能大幅度改善落麻 纤维与e p 、p f 和u p 的浸润性，采用改性后的苎麻纤维作为增强体，复合材料的 力学性能有所提高。 许瑞等i l6 】研究了成型工艺、碱液及硅烷偶联剂预处理对苎麻l l d p e 复合材 料力学性能的影响，他们的研究结果表明：经碱液、k h 。5 5 0 和a 15 1 硅烷偶联剂 分别预处理后，苎麻l l d p e 复合材料的拉伸性能均有不同程度的提高，拉伸强度 由5 1 0m p a 分别提高到1 0 2 6m p a 、8 3 6m p a 及8 9 8m p a ；经a 一1 5 1 预处理后，材料 的弯曲强度及弯曲模量由2 3 1m p a 、1 5 8g p a 提高n 8 1 6m p a 、6 0 1g p a ，单位面 积总冲击能及动态弯曲强度由3 0 9k j m 2 、3 1 3m p a 提高到3 7 8k j m 2 、1 0 6m p a 。 陈大凯等【1 7 】研究了阻燃剂、增塑剂对苎麻纤维吸声增强聚乳酸复合材料性能 的影响，他们使用冲压成型工艺制备了苎麻纤维聚乳酸复合材料。其吸音性能测 试结果表明，短苎麻纤维复合材料比苎麻织物增强聚乳酸复合材料的吸声性能要 好。而a p p 和增塑剂( 己二酸丁二醇钴对苯二甲酸) 的加入则提高了苎麻织物 聚乳酸复合材料的吸声性能。扫描电子显微镜( s e m ) 的结果也表明，p b a t 含 量聚乳酸复合材料存在微相分离和苎麻纤维束单孔隙，这些特殊结构是吸声性能 较好的主要原因。 田永等【l 驯研究了不同长度、不同处理方法的苎麻纤维增强聚丙烯复合材料的 力学性能，他们的研究结果表明：苎麻纤维加入聚丙烯组成的复合材料综合力学 性能比纯聚丙烯有了明显的改善，苎麻纤维长度对复合材料有影响，苎麻纤维越 长，其拉伸强度、弯曲强度越高，冲击韧性和伸长率呈下降趋势。用氢氧化钠溶 液对苎麻进行化学表面处理，可以改善复合材料的性能，当氢氧化钠浓度在1 0 1 5 左右时，复合材料的综合力学达到最佳。 国外也有很多学者对麻纤维增强复合材料进行了研究，如c z p a i v aj u7 n i o r 等i l9 j 分别采用苎麻和棉纤维增强聚酯基复合材料j 结果表明，棉纤维对复合材料 拉伸性能的影响是微乎其微的，而苎麻纤维复合材料的拉伸强度高达基体强度的 3 3 8 ，这一结果显示了苎麻纤维作为增强体的无限潜力。 y a nl i 等1 2u j 对剑麻纤维结构及其复合材料进行了研究，着重介绍了剑麻纤维 5 氨基硅油改性= 苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 的结构、性能和处理方法，对剑麻纤维复合材料的制备和性能作了论述，试验结 果显示，剑麻纤维复合材料的拉伸强度最高达至i 4 8 3m p a 。 法国国家科学研究中心研究了一种以大麻和聚氨酯为原料的合成材料，这种 材料的特点除具有金属和玻璃纤维各自的优点外，其价格更便宜，重量更轻，韧 度更强，而且可以生物降解，现在该中心正在对该种材料的强度及其它特性进行 研究，以期用该种材料生产出汽车车门【1 1 1 。 尽管麻纤维复合材料的研究开发已成为热点，但在复合材料具体的产品应用 方面仍然存在较大困难： ( 1 ) 在共混过程中，纤维的润湿性、纤维与塑料的兼容性、纤维的降解及 自动絮集现象等都会对复合材料性能产生较大影响拉。 ( 2 ) 麻纤维为天然生长植物，与合成化学纤维相比，存在微观结构缺陷和 杂质，甚至由于产地或者气候原因，麻纤维的质量也有很大的差别，严重影响麻 纤维聚丙烯界面及复合材料整体力学性能【2 引。 ( 3 )苎麻纤维表面存在大量的羟基，呈亲水性，因此，与疏水性的树脂基 体的界面粘结不理想，导致复合材料的力学性能不高，从而限制了苎麻纤维增强 树脂基复合材料的应用，需要对麻纤维的进行改性，降低纤维的亲水性，提高麻 纤维的结晶度，改变其结构和表面状态【1 1 ，2 3 剁】。 ( 4 ) 现有的纤维增强复合材料的制备方法大多采用层压成型，这种成型方 法需要一段很长的保压时间，效率低，所制产品结构比较简单，不能适应复杂生 产的需要。 1 5 聚丙烯在汽车工业上的应用现状 基体树脂是复合材料中非常重要的组分，基体树脂与天然纤维结合，赋予复 合材料优良的性能，使它成为有使用价值的产品。现有国内外产品化的树脂主要 为热固性树脂，在麻纤维增强热固性树脂方面取得了一定进展【l3 。然而热固性树 脂不可回收再利用，不能满足汽车材料的环保、可回收要求，而热塑性树脂制品 废弃后一般可以回收利用，因此越来越受到人们的关注，使用量逐年上升。 聚丙烯是以丙烯为单体聚合而成的热塑性聚合物，英文名p o l y p r o p y l e n e ，简 称p p 。聚丙烯原料来源丰富、价格便宜，与其它塑料相比具有相对密度低、加工 性能优良、屈服强度、抗拉强度及弹性模量均较高及耐化学药品性较佳等较好的 综合性能。其制品无毒无味，光泽性好，成为汽车，电器，日用品及家具包装领 域广泛使用的材料，基本性能见表2 3 。 6 工程硕士学位论文 密度( g c m 3 ) 拉伸强度( m p a ) 硬度( r ) 断裂伸长率( ) 热变形温度( ) 介电常数 o 9 1 2 5 3 7 1 0 0 2 0 6 0 0 9 0 1 0 5 2 2 随着汽车向轻量化、舒适化、环保化方向的发展，塑料及其复合材料在汽车 上的用量日益增加。据统计，采用塑料不仅可减轻零部件约4 0 的质量，而且可 使采购成本降低4 0 左右，塑料在汽车制造中的用量迅速上升，平均每辆汽车的 塑料用量已达1 0 5k g ，约占汽车总质量8 1 2 。如奥迪a 2 型轿车，塑料件总质 量已达2 2 0k g ，占总用材的2 4 6 2 5 】。2 0 世纪9 0 年代，发达国家汽车平均塑料 用量是10 0 130k g 辆，占整车整备质量的7 10 ，到2 0 0 2 年，发达国家 汽车平均塑料用量达到30 0k g 辆以上，占整车整各质量的2 0 ，预计到 2 0 2 0 年，发达国家汽车平均塑料用量将达到5 0 0k g 辆以上 2 5 1 。我国经济 型轿车每辆车塑料用量为5 0 6 0k g ，轻、中型载货车的塑料用量为4 0 5 0k g ， 重型载货车可达8 0k g 左右 2 5 】。在车用塑料中，聚丙烯以密度小、性价比高、具有 优异的耐热性能、耐化学药品腐蚀性、易于加工成型和回收等特性在汽车上得到 广泛的应用，成为车用塑料中用量最大、发展速度最快的品种，是今后的重点发 展方向之一【2 6 1 。 聚丙烯是汽车用塑料中用量最大、发展速度最快的品种之一。聚丙烯的用量 占到了汽车塑料总用量的4 2 左右，预计聚丙烯及其复合材料今后可保持在8 的年增长率。2 0 0 5 年全球汽车用聚丙烯的消费量已达到了2 8 0 万吨，我国汽车工 业对聚丙烯的需求量达1 3 4 万吨，其中约3 0 左右用于保险杠 2 6 】。但聚丙烯的 缺点也是不可忽视的：高温刚性不足，而低温发脆；耐环境能力差，室外使用易 变黄变色发脆；抗拉强度的各向异性大，制品易变形，连续使用温度低，蠕变性 能大，不耐长期载荷，印刷性能差【27 1 。因此，通过聚丙烯与其他纤维，尤其是天 然植物纤维的混合而成的复合材料可以有效的改善聚丙烯的性能，将成为汽车塑 料发展的重点i 弱j 。 7 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 1 6 论文的研究意义和研究内容 1 6 1 论文的研究意义 研究苎麻纤维的改性工艺以及苎麻纤维增强聚丙烯复合材料具有重要的实际 意义。具体表现为： ( 1 )符合国家的政策法规要求，例女1 ：1 2 0 0 6 年2 月，汽车产品回收利用技术 政策出台，国家发改委、科学技术部、国家环保总局联合指出，从2 0 10 年起， 汽车的回收利用率要到达8 5 以上，这就为汽车环保可回收材料的发展和普及提 供了有利条件。 ( 2 )我国是世界上苎麻的主要产地之一，使用麻纤维作为复合材料的增强 体，相比玻璃纤维和碳纤维来源更为广泛、价格更为低廉。 ( 3 ) 使用麻纤维增强复合材料不仅可以减轻汽车自重，从而实现节能减排， 而且麻纤维作为一种天然的基体材料，安全无毒，做为汽车内饰材料使用，能够 提高车内环境质量，符合汽车材料环保、轻量化、可回收的发展方向。 ( 4 ) 探索绿色、高效的麻纤维改性方式，不仅能进一步提高复合材料的力 学性能，而且能够为产业化生产提供参考。 1 6 2 论文的研究内容和主要创新点 本论文的研究工作在国家科技部“8 6 3 重点项目和湖南大学“9 8 5 工程建 设项目的支持下完成。研究内容主要有： ( 1 ) 采用氨基硅油对苎麻纤维进行表面改性，确定苎麻纤维的改性工艺， 其基本过程为：苎麻原麻除杂_ 原麻碱脱胶一水洗一真空干燥_ 硅油改性处理_ 水洗_ 真空干燥。 ( 2 ) 采用红外光谱分析( i r ) 、接触角测试、x 射线衍射分析( x r d ) 、 热重分析( t g ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 等方法对改性前后苎麻纤维的性能进 行研究，探索改性工艺对苎麻纤维性能的影响，并通过测试结果验证反应原理。 ( 3 )探索麻纤维复合材料的成型工艺参数，采用挤出成型、注射成型工艺 制备苎麻纤维增强聚丙烯试样。 ( 4 ) 将改性前后苎麻纤维分别按2 5 的纤维含量与聚丙烯共混注射成型， 通过力学性能测试、冲击断面电镜扫描、热重分析等方法研究改性对复合材料力 学性能的影响。 ( 5 )将改性后的苎麻纤维分别按1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 的纤维含量 与聚丙烯共混注射成型，通过力学性能测试研究纤维含量对复合材料力学性能的 影响。 本论文的主要创新点是研究了一种利用大分子量的硅油对苎麻纤维进行改性 8 工程硕士学位论文 = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! ：! ! ! ! ! ! ! 竺! ，一 的新型工艺，改性工艺简单易行、环保安全，避免了传统改性工艺存在的污染大、 工作环境恶劣等缺点。 9 氨基硅油改性苎麻纤维聚丙烯车用复合材料的研究 第2 章苎麻纤维改性工艺及表征方法 由第1 章可知麻纤维增强聚丙烯复合材料在汽车内饰上具有很好的应用前景， 但是苎麻纤维表面极性极强，呈亲水性，与聚合物基体的相容性较差。因此，制 备苎麻纤维聚丙烯复合材料之前，必须对苎麻纤维进行表面改性，改善苎麻纤维 与聚丙烯基体的相容性，从而提高复合材料的总体性能。 本章利用苎麻纤维表面存在大量活性羟基的特点，采用大分子量的氨基硅油 对苎麻纤维进行接枝改性，从而使得苎麻纤维由亲水性转变为疏水性。 2 1 苎麻纤维 2 1 1 苎麻纤维的组成与结构 苎麻为荨麻科苎麻属，系多年生宿根性草本植物，是我国特有的植物之一