（纺织工程专业论文）黄麻纤维增强聚丙烯的制备和性能研究.pdf

摘要 黄麻纤维增强聚丙烯的制备和性能研究 摘要 最近几十年，由于合成纤维的发展，各种价格低廉，性能优良的 合成纤维制品的兴起，黄麻制品逐渐在市场竞争中萎缩。黄麻是每年 生再生纤维，具有密度低、强度大、价格低等特点，所以用黄麻纤维 增强塑料对降低材料的成本以及提高材料的比强度和比模量都是非常 有利的。开发黄麻纤维增强复合材料，对充分利用我国丰富的黄麻纤 维资源优势具有重大意义。 本文主要讨论了注塑成型制成的黄麻纤维增强聚丙烯的制备方法 和其性能。将纤维含量分别为l o w t 、2 0 w t 年1 13 0 w t 的试样进行 比较，分析纤维含量对黄麻纤维增强聚丙烯拉伸、弯曲和冲击性能的 影响：将纤维分别切成约3 r a m 、5 m m 和1 0 m m 长制成试样进行比较， 分析纤维长度对黄麻纤维增强聚丙烯拉伸、弯曲和冲击性能的影响。 最后，比较了苎庶纤维增强聚丙烯与黄麻纤维增强聚丙烯的性能以研 究不同纤维对增强聚丙烯的影响。 得到如下主要结论： 1 、黄麻纤维增强聚丙烯的性能比聚丙烯的性能有明显改善。 2 、刘于未经表面处理的黄麻纤维，当纤维含量在l o w t 和3 0 w t 之间时，黄麻纤维增强聚丙烯试样拉伸强度随着纤维含量增加没有明 显变化；弯曲强度和模量都随纤维含量增加而递增。当纤维长度在 3 m m 和1 0 m m 之间时，黄麻纤维增强聚丙烯试样拉伸强度随着纤维含 量增加而递增，但增加程度不大；弯曲强度和模量都随纤维长度增加 而递增。黄麻纤维增强聚丙烯拉伸强度提高不显著是由于黄麻纤维与 聚丙烯界面结合不理想的结果。 3 、黄麻纤维掺入聚丙烯导致黄麻纤维增强聚丙烯试样的伸长率减 小，即黄麻纤维增强聚丙烯的延性下降。当纤维含量在1 0 w t 到 3 0 w t 之间时，试样的延性随纤维含量增加而递减。当纤维长度在 3 r a m 和l o m m 之间时，试样的延性也随纤维长度增加而递减。 4 、黄麻纤维掺入聚丙烯导致黄麻纤维增强聚丙烯试样的冲击韧性 摘要 与断裂韧性下降。当纤维含量在l o w t 到3 0 w t 之间时，两种韧性 都随纤维含量增加而递减。黄麻纤维的存在使得纤维增强聚丙烯模量 得到明显的改善，但是在提高其模量的同时，也使其韧性有所下降。 5 、黄麻纤维增强复合材料的耐热性随纤维含量增加而递增。当纤 维长度在3 r a m 和1 0 m m 之间时，复合材料的耐热性也随纤维长度增 加而递增。 6 、与黄麻纤维类似，苎麻纤维的加入使聚丙烯| l | 勺强度、模量和热 变形温度提高，但使其韧性和延性降低。由于两种麻纤维的形状、脱 胶程度等都有较大的差别，因此，比较两种不同纤维对聚丙烯增强效 果的影n 向需要进步的严格试验条件。 总之，黄麻纤维的加入使聚丙烯的强度、模量和耐热性提高，但 使其韧性和延性降低。另外，要使黄麻纤维增强聚丙烯性能有较大提 高，改善黄麻纤维和聚丙烯之间的界面强度是必要的。 关键词黄麻纤维聚丙烯复合材料制各纤维含量纤维长度机械 性能 a b s t r a c t f a b r i c a i 。i u na n dp r o p e “lyi nv e s r i g a i i u no fj u t e f i b e rr e i n f o r e dp o l y p r o p y l e n ec o m p o s i t e a b s t r a c t r e c e n taf e wd e c a d e s ，a l lk i n d so fp r o d u c t sm a d eo fju t er e d u c e r a p i d l yi nt h em a r k e tb e c a u s e t h ec o m p e t i t i o no f c h e a p e rs y n t h e t i cf i b e r s b e c a u s ej u t ei s a n n u a l l yr e g e n e r a t i v e ，b e i n gl o wd e n s i t y ，h i g hs t r e n g t h a n dl o wp r i c e ，i ti s v e r y b e n e f i c i a lt ob eu s e da sr e i n f o r c i n gf i b e ri n c o m p o s i t ei n d u s t r yf o rt h ed e c r e a s eo f c o s ta n di m p r o v e m e n to fs p e c i f i c s t r e n g t h a n ds p e c i f i cm o d u l eu s i n gj u t ef i b e ri nt h ef i e l d so fr e i n f o r c e d p o l y m e rc o m p o s i t e s h a sag r e a tm e a n i n gt om a k ef u l lu s eo f j u t er e s o u r c e i no u rc o u n t r y i nt h i s t h e s i s ，p r o p e r t i e s o fj u t ef i b e rr e i n f o r c e d p o l y p r o p y l e n e s a m p l e sp r e p a r e db yi n j e c t i o nm o l d i n ga r es t u d i e d t h et e n s i l e ，f l e x u r a l a n d i m p a c t b e h a v i o r s o f s a m p l e s w i t hd i f f e r e n tf i b e rc o n t e n t sa r e i n v e s t i g a t e db yc o m p a r i n g t h r e ek i n d so f c o m p o s i t e sw h o s e f i b e rc o n t e n t s a r e10 ，2 0a n d3 0 w t ；t h et e n s i l e ，f l e x u r a la n di m p a c tb e h a v i o r so f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n t f i b e rl e n g t ha r ea l s oi n v e s t i g a t e db yc o m p a r i n g t h r e ek i n d so fc o m p o s i t e s w h o s ef i b e r sa r e r e s p e c t i v e l yc h o p p e d t o a p p r o x i m a t e l y3 m m ，5 m m a n d10 m mi nl e n g t h t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n p r o p e r t i e s o fj u t ef 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 ea n dr a m i e o n e si sm a d et os t u d yt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf i b e r p r o p e r t i e s i n r e i n f o r c e dc o m p o s i t e s 。 t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r o p e r t i e so f j u t ef 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 ea r e b e t t e rt h a nt h o s eo fp u r ep o l y p r o p y l e n e 2 w i t h o u tt h em o d i f i c a t i o no ff i b e rs u r f a c e ，w h e nt h ej u t e f i b e r c o n t e n ti sb e t w e e n10 w t a n d3 0 w t ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fj u t ef i b e r r e i n f o r c e d p o l y p r o p y l e n ec o m p o s i t es a m p l e s s h o wl i t t l e c h a n g e w i t h i n c r e a s i n gf i b e rc o n t e n t t h e f l e x u r a ls t r e n g t ha n dm o d u l eo fs a m p l e s a b s t r a c t i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gf i b e rc o n t e n t t h e i rt e n s i l es t r e n g t ha n dm o d u l e a l s oi n c r e a s ew i t hi n c r e a s ei nf i b e rl e n g t hw h e nt h ej u t ef i b e rl e n g t hi s b e t w e e n3 m ma n d10 m m t h el i t t l e i m p r o v e m e n to ft e n s i l es t r e n g t ho f j u t e f i b e rr e i n f o r c e d p o l y p r o p y l e n ec o m p o s i t e i sd u et ot h e p o o r i n t e r f a c i a la d h e s i o nb e t w e e nf i b e ra n dp o l y p r o p y l e n e 3 t h e e l o n g a t i o n o fj u t ef i b e rr e i n f o r c e d p o l y p r o p y l e n es a m p l e s s h a r p d e c r e a s e sa f t e r a d d i n gj u t e f i b e r sw h e n c o m p a r e d t o p u r e p o l y p r o p y l e n e ，n a m e l y t h e d u c t i b i l i t y o f j u t e f i b e rr e i n f o r c e d p o l y p r o p y l e n ed e c r e a s e s w h e n t h ej u t ef i b e rc o n t e n ti sb e t w e e n1 0 w t a n d3 0 w t ，t h ed u c t i b i l i t yo fs a m p l e sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g f i b e r c o n t e n t t h ed u c t i b i l i t ya l s oi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s ei nf i b e rl e n g t hw h e n t h ej u t ef i b e rl e n g t hi sb e t w e e n3 m m a n d10 m m 4 the i m p a c tt o u g h n e s sa n d f r a c t u r et o u g h n e s so ft h ec o m p o s i t e s a m p l e s d e c r e a s ea f t e r a d d i n gj r i t e f i b e r sw h e n c o m p a r e d t o p u r e p o l y p r o p y l e n e a t t h es a m et i m e t h e y d e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n g f i b e r c o n t e n tw h e nt h ej u t ef i b e rc o n t e n ti sb e t w e e n10 w t a n d3 0 w t t h e m o d u l eo fc o m p o s i t ei sr e m a r k a b l yi m p r o v e da f t e ra d d i n gj u t ef i b e r s b u t t h et o u g h n e s sd e c r e a s e s 5 t h et e m p e r a t u r er e s i s t a n c eo fj u t ef i b e rr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n e c o m p o s i t ei n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gf i b e rc o n t e n t w h e nj u t ef i b e rl e n g t h i sb e t w e e n3 m m a n d10 m m ，t h et e m p e r a t u r er e s i s t a n c eo fc o m p o s i t ea l s o i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s ei nf i b e rl e n g t h 6l i k es a m p l eo f j u t ef i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ，t h et e n s i l es t r e n g t h ， f i e x u r a ls tr e n g t h ，m o d u l ea n dt e m p e r a t u r er e s i s t a n c eo fr a m i ef i b e r r e i n f o r c e dp o t y p r o p y l e n ea r ei m p r o v e db u ti t st o u g h n e s sa n dd u c t i b i t i t y d e c r e a s e b e c a u s et h e r ei s ag r e a td e a lo fd i f f e r e n c ei ns h a p ea n dg u m c o n t e n to ft w of i b e r s ，f u r t h e re x p e r i m e n t sn e e d e di n o r d e rt os t u d yt h e i n f l u c n c eo fd i f f e r e n tf i b e rp r o p e r t i e si nr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s t os u mu p ，t h et e n s i l es t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t h ，m o d u l e a n d 些! ! 坠! l 一 t e m d e r a t u r e r e s i s t a n c eo fj u t e f i b e r r e i n f o r c e d p o l y p r o p y l e n e a r e i m p r o v e d a f l e r a d d i n gj u t e f i b e r sb u ti t s t o u g h n e s s a n dd u c t i b i l i t y d e c r e a s e i na d d i t i o n ，i ti sn e c e s s a r yf o rb e t t e rc a p a b i l i t i e s o f j u t ef i b e r r e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n et oi m p r o v e t h ei n t e r f a c i a la d h e s i o nb e t “e e nj “t 。 f i b e ra n dp o l y p r o p y l e n e z h a n ga n d i n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rd i n gx i n k e y w o r d s ：j u t ef i b e r ；p o l y p r o p y l e n e ；e o m f i o s i t ef a b r i c a i o n ；f i b e r c o n e n f i b e rl e n g t h ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容夕 ，奉 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲 自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 奴殳 日期：卫d 口斗年月0 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权尔华 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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密曰。 学位论文作者签名：多长袭久 日期：卫口咏，, 目o n 指导教师签名：叮亨 日期：2 d 珥年f 月d 日 第一章前言 第一章前言 1 1 研究的意义 目前纤维增强复合材料中的增强纤维主要是由玻璃纤维、芳纶和 碳纤维等，这些增强纤维材料性能良好且均匀，但它们一般都存在着 加工困难、耗能大、造价高、易造成环境污染等问题。而天然植物纤 维如黄麻等来源广泛、性能适巾，它们在复合材料中的应用正越来越 引起国内外材料界的重视。 我国的黄麻资源非常丰富，在世界上居第三位 t - 3 。最近卜几年， 由于合成纤维的发展，各种价格低廉，性能优良的合成纤维( 如尼龙， 涤纶等) 制品的兴起，使黄麻制品逐渐在市场竞争中萎缩。再加上遇 到世界经济危机或贸易壁垒限制时，导致麻的需求量大幅减少，对工 厂的生产经营产生较大影响，因此拓宽黄麻纤维使用范围是非常迫切 的。开发黄麻纤维在复合材料方面的运用是拓宽其使用范围的良好途 径，本课题正是在这样的背景下提出的。 1 - 2 麻纤维增强复合材料的研究进展 1 2 1 国内研究 国内对天然纤维复合材料及其制品的研究开发工作起步比较晚， 自2 0 世纪9 0 年代初期才开展这项工作。 曾竟成等4 1 研究了黄麻纤维的拉伸强度与直径的关系等基本性能 利黄麻有捻纤维束、黄麻布增强环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚脂复 合材料的复合工艺和力学性能，并与玻璃纤维增强复合材料进行了比 较。得出结论为黄麻纤维与通用的三类热固性树脂基体的浸润性较好； 黄麻有捻纤维复合材料单向性能比黄麻布复合材料高，与玻璃纤维布 复合材料相当；黄麻纤维复合材料作为结构材料，其性能可与玻璃纤 维布复合材料相当。 郑融等0 5 1 研究了单向分布黄麻线( l j e ) 平h 随机分布短纤维( s j e ) 增强 环氧树脂复合材料的制作和拉仲、压缩、弯曲、层问剪切以及冲击性 笫一章前言 能，讨论了它的破坏机理与微观形貌，并与竹纤维增强环氧复合材料 进行了比较。主要结论有，s j e 的拉伸比强度约为铝合金的1 2 ，拉伸 强度是短竹环氧和竹碎环氧的2 倍左右，拉伸模量与短竹环氧或竹 碎环氧基本相同：无论拉伸强度还是压缩强度，s j e 比竹碎环氧都要 高；由于比重较小，l j e 纵向比强度比铝合金还高1 0 2 0 。l j e 的 纵向拉伸性能与性能优异的长竹环氧相比，强度约为其4 5 ，模量大 约为它的2 5 ，但横向拉伸性能与纵向性能相差甚远；l j e 的三点弯曲 性强度为长竹环氧的3 5 ，模量为其2 5 ；l j e 层间剪切比长竹环氧 略高，冲击韧性与长竹环氧相当。 杨桂成等6 。9 】系统研究了剑麻纤维增强树脂基复合材料，得出：( 1 ) 剑麻纤维经碱处理后再经k h 一5 5 0 进行硅烷偶联处理，其与脆性的酚 醛树脂基体之间形成了一个有效的界面层，改善了两者之间的粘结， 从而提高复合材料的综合力学性能；( 2 ) 常用的热塑性塑料p v c 可 用剑麻纤维增强，从而制成价廉、无污染、可再生利用的新型复合材 料：( 3 ) 对剑麻纤维进行的热处理或乙酰化处理以及使用k h 5 5 0 偶 联剂“搭桥”等方法，证明均无助于界面问题的提高。他们还申请了 剑麻纤维增强树脂基复合材料的制各方法的专利1 0 】。解孝林等1 在剑 麻增强聚丙烯复合材料加入适量的马来酸酐接枝s e b s ，能有效地提 高复合材料的强度，阻止裂纹的引发和扩展，对剑麻增强聚丙烯复合 材料起到了增韧作用。 张长安等h 2 1 对苎麻落麻纤维增强聚丙烯( p p ) 在注射成型过程中麻 纤维的分散和制品的复合工艺等问题进行了研究，得出应用挤出机可 以实现麻纤维在p p 中的均匀分散，但麻纤维与p p 的界面粘接并不理 想。张一一甫等1 3 对苎麻落麻纤维经p v c 包覆处理后，使麻纤维与p p 界面粘接明显改善，复合材料的拉伸和弯曲强度提高了2 0 左右。张 长安、肖加余等”1 将苎麻落麻纤维制成落麻热压毡和落麻无纺毡， 分别增强热固性树脂，结果为：采用制毡方法来制备复合材料，可以 大幅度增加复合材料的纤维含量，从而可提高复合材料的力学性能： 落麻纤维对环氧树脂的增强效果较不饱和聚酯树脂显著。许瑞等【】“ 第一章前言 讨沦了经碱液、k i 一5 5 0 和a 1 5 1 硅烷偶联剂分别对苎麻纤维预处理 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。 王俊勃等”3 在温室下对苎麻纤维进行碱处理，该处理可溶胀纤维 增大纤维孔腔，有利于填入其他材料以提高纤维的拉伸强度和拉伸模 量，同时对纤维有韧化作用，并可改善纤维与酚醛树脂的界面结合， 提高复合材料的力学性能。李欣欣等1 8 1 研究了天然椰壳纤维增强复合 材料，比较以脱蜡前后椰壳纤维增强复合材料的力学性能，研究表明， 脱蜡处理对复合材料的拉伸强度有明显的增加。王惠民 ”1 论述了通 过合理地选择纤维与加工处理工艺亚麻纤维在密度、拉伸强力、断裂 伸长、杨氏模量、长度、细度及表面性能等特性方面具有应用于复合 材料的潜力。 虽然我国在该领域的研究取得了一些进步，但到目前为止，麻纤 维复合材料的研究还处于初级阶段，而黄麻纤维增强热塑性树脂复合 材料的研究几乎还是空白。因此，本课题以黄麻纤维为增强纤维和聚 丙烯为基体材料，重点探讨纤维含量和纤维长度对黄麻纤维增强聚丙 烯性能的影响，为进一步的工作做探索。 1 2 2 国外研究 2 0 世纪7 0 年代的世界性能源危机促进了黄麻增强复合材料的研 究开发，特别是从7 0 年代中期开始，黄麻增强复合材料进入了系统研 究和实用化阶段，其中以黄麻生产大国印度开展的研究最具代表性。 在印度政府出面支持下，由印度黄麻工业研究协会与英国专家组成的 研究队伍，对开发黄麻增强复合材料的系统制造技术以及具有实用物 理机械性能的黄麻增强复合材料产品的应用技术等一系列目标展开研 究20 1 。他们利用玻璃纤维增强塑料的各种技术，如手铺成型、接触成 型、模压、缠绕成型、预浸渍等技术，对不同树脂、填料、夹芯结构 或黄麻与玻璃纤维混用等工作进行了较系统的研究。结果发现用玻璃 纤维增强塑料的制作技术基本上可以开发出满意的黄麻增强复合材料 产品。例如，采用玻纤黄麻玻纤夹芯结构、用接触成型制造的小船 在加尔各答湖使用多年，性能十分满意。利用缠绕成型制造的管道和 第一章前言 屋顶材料性能良好；用聚酯、酚醛或环氧树脂与黄麻碎纤维制造的工 业零件已商业化生产；以工业废料飞灰作填料制造的酚醛树脂黄麻增 强复合材料板材，具有阻燃、重量轻、成本低等特点。 虽然以热塑性树脂为基体的黄麻增强复合材料的研究相对起步较 晚，但由于热塑性树脂具有断裂韧性好、抗冲击性强、成型工艺简单、 成本低等优点，近年发展比较迅速。国外研究人员从多个方面对黄麻 纤维增强聚丙烯复合材料进行了研究。 最热门的研究是改善黄麻纤维与聚丙烯的界面粘结以提高复合材 料力学性能，如：k a r m a k e r 等2 1 、2 2 1 测出未处理和经马来酸酐处理的 黄麻纤维在聚丙烯的临界长度各为o 5 3 m m 和o 3 9 m m ，表明经马来酸 酐处理的提高了界面剪切强度。经马来酸酐处理后，5 0 w t 黄麻增强 聚丙烯复合材料的 加而提高。g a s s a n 拉伸强度5 9 1 3 m p a 和弯曲强度8 76 6 m p a ，各提高 且拉伸强度和弹性模量都随黄麻纤维体积分数的增 等2 3 1 研究了黄麻纤维与经马来酸酐改性的聚丙烯混 合制备的复合材料的蠕变性能，结果表明，马来酸酐改性使复合材料 的拉伸和弯曲动态强度增加5 0 以上，但冲击韧性有所下降，蠕变性 能改善不大。 黄麻纤维含量对增强聚丙烯的力学性能的影响也是研究的热点之 一，如：r a n a 等2 42 5 1 探讨了经马来酸酐处理前后的黄麻纤维增强聚 丙烯的拉伸和弯曲性能随纤维含量的变化情况，结果得出：纤维含量 从3 减， 和两 黄麻 0 w t 递增到6 0 w t ，未经处理的拉伸强度和弯曲强度都随之递 拉伸模量和弯曲模量都是递增的；而经马来酸酐处理的两种强度 种模量都是递增的，且幅度非常大。经1 马来酸酐处理6 0 w t 纤维增强聚丙烯与纯聚丙烯比较，前者的拉伸强度提高l0 0 、 弯曲强度提高1 2 0 n 冲击强度( 无缺口) 提高7 5 ；通过比较经马 来酸酐处理前后残存弯曲模量、损失弯曲模量、残存剪切强度和损失 剪切强度，得出经过处理后的黄麻纤维和基体之间的粘接力有所提高。 另外，一些国外研究人员探讨了剑麻纤维含量和长度对增强聚丙 烯力学性能的影响。j o s e p h 等2 62 7 1 探讨了剑麻纤维增强聚丙烯的注塑 第一章前言 加工方法的工艺参数，结果得出：混合时问为l o m i n 时，剑麻纤维在 聚丙烯中较均匀分布，且破损纤维较少；加工温度为1 7 0 。c 和混合速 度为5 0 r p m 时，其力学性能最优。在剑麻纤维含量0 4 0 w t 之间的研 究中，纤维含量为2 0 w t 1 3 , 寸，材料拉伸强度和模量的综合性能比较理 想；纤维含量从2 0 w t 增到4 0 w t ，虽拉伸强度有小幅增加，但拉 伸模量却大幅下降；纤维含量为5 w t 时，剑麻增强聚丙烯的拉伸强 度和模量都比纯聚丙烯的小。在剑麻纤维长度为o - 3 0 m m 之i h j 的研究 中，6 m m 是剑麻纤维的最优加工长度；纤维长度为2 m m 时，材料拉 伸强度最大但拉伸模量相对太小；纤维长度从1 0 m m 增加到3 0 m m ， 材料拉伸强度略有增加( 可忽略不计) ，拉伸模量变化也不大，但都比 纤维长度为6 m m 的下降1 3 0 多。y u a n 等【2 82 9 1 研究了剑麻纤维长度 对剑麻纤维增强聚丙烯力学性能的影响，结论为：6 m m 是剑麻纤维制 备复合材料的最优长度；剑麻纤维长度为6 r a m 时，复合材料拉伸强 度和弯曲强度都达到最大；剑麻纤维长度小于3 5 m m 时，拉伸模量和 弯曲模量都随纤维长度增加而递减的，纤维长度超过3 5 m m 时，它们 都是递增的。 1 3 课题的研究目标和内容 1 3 1 研究目标 研究黄麻纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能，主要探讨黄麻纤 维含量和纤维长度对复合材料强度、模量、延性和韧性等性能的影响， 为进一步的研制做先期的探索。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 黄麻纤维增强聚丙烯试样的制备； ( 2 ) 讨论纤维含量和纤维长度对黄麻纤维增强聚丙烯性能的影 响； ( 3 ) 讨论苎麻纤维增强聚丙烯性能的影响及黄麻纤维增强聚丙烯 与苎麻纤维增强聚丙烯在性能上的差别。 1 3 3 研究方法 第一章前言 本文采用宏观性能与微观机理相结合研究方法。将3 r a m 、5 r a m 和 1o m m 黄麻工艺纤维洗净后在1 0 5 下烘燥1 小时，以一定的纤维含 量与聚丙烯在哈克转矩流变仪中混合，冷却后造粒，再在注塑成型机 i 二注射成试样。用电子多功能试验机和组合式冲击仪测试试样的拉伸、 弯曲和冲击等性能：用扫描电子显微镜观察破坏断面的微观形态，并 分析微观断裂机理；测试样的热变形温度讨论复合材料耐热性。 1 3 4 论文的章节安排 本论文第一章为引言部分，主要综述圈内外麻纤维增强复合材料 研究的进展，特别是关于麻纤维含量和长度对麻纤维增强聚丙烯复合 材料的研究，并提出问题，引出本课题研究的目的和意义：第二：章介 绍了黄麻纤维增强聚丙烯试样的制备；第三章是本文的重点之一，着 重讨论了纤维含量对黄麻纤维增强聚丙烯强度、模量、延性和韧性等 力学性能的影响；第四章也是本文的重点，着重讨论了纤维长度对黄 麻纤维增强聚丙烯强度、模量、延性和韧性等力学性能的影响：第五 章讨论了黄麻纤维增强聚丙烯与苎麻纤维增强聚丙烯在性能上的差 别，分析不同麻纤维对增强聚丙烯性能的影响；第六章总结了研究工 作，列出所获得的研究结论，提出存在的问题，指出进一步研究的思 路。 第二章黄麻纤维增强累丙烯试样的制各 第二章黄麻纤维增强聚丙烯试样的制备 复合材料中的组分材料虽保持其相对独立性，但其性能不是组分 材料的简单组合，而是一种包括了物理的、化学的、力学的、甚至生 物的相互作用的复杂结合过程的结果。复合材料的性能取决于增强纤 维、基体、复合成型工艺及其所形成的界面特性。所以，了解各组分 利料的物理性能是非常必要的。 2 1 黄麻纤维的性能测试 为了选择合适的加工方法和工艺参数，同时为了对复合材料的力 学性能进行讨论，本节探讨黄麻纤维的基本物理性能。增强纤维采用 浙江麻纺织有限责任公司提供的半脱胶黄麻工艺纤维。 2 。1 1 回潮率和残胶率 黄麻工艺纤维本身就是一种混合物，它有多种成分组成，如纤维 紊、果胶质、蜡状物等。在这些成分中纤维素的分子量最大，达到几 万，丽其它的成分的分子量都达不到一千，所以黄麻纤维的力学和热 学性质主要由纤维素决定，但其它成分对黄麻纤维增强聚丙烯力学性 能有很大的影响。黄麻纤维在与聚丙烯加工中因温度上升而使低分子 量组分挥发，就不可避免在复合材料中产生微空隙，导致其力学性能 下降。另一方面，黄麻纤维是一种吸水性很强的天然纤维，未干燥的 黄麻纤维在与聚丙烯加工中因温度上升而使水蒸发，就不可避免在复 合材料试样中产生微孔隙，这将导致内部应力缺陷的产生从而使试样 的力学性能下降。所以知道黄麻纤维回潮率和残胶率对试样的制备加 工是非常重要的。 由于国家还没有测试黄麻纤维物理性能的标准，一般用苎麻的测 试标准代替。所以本文中黄麻纤维物理性能的测试方法都用苎麻的国 家标准代替。 黄麻纤维回潮率测试依据g b 5 8 8 3 8 6 苎麻回潮率、含水率测试 方法，残胶率测试依据g b 5 8 8 6 ，8 6 苎麻残胶率试验方法。 第二章黄麻纤维增强聚丙烯试样的制各 2 1 2 细度和强度 在纤维增强复合材料中，承受载荷的主要是纤维，纤维强度对复 合材料的强度有重要的影响，一般纤维强度越大，复合材料强度也越 大。所以，为了探讨黄麻纤维增强聚丙烯的性能，了解黄麻纤维细度 和强度是非常必要。 1 、黄麻纤维细度测试依据g b 5 8 8 4 8 6 苎麻纤维支数试验方法， 在标准大气条件下采用切段称重法测定。 2 、黄麻纤维强度测试依据g b 5 8 8 6 8 6 苎麻单纤维断裂强度试 验方法。 由于黄麻纤维是半脱胶的工艺纤维，确定单根纤维较困难。在本 试验中，将工艺纤维切成3 0 r a m 长，然后将其分成不能再分时的纤维 作为纤维试样。测5 0 根纤维试样，取平均值作为强度。 具体测试仪器及条件如下： ( 1 ) 测试仪器：东华大学制造的x q 一1 纤维电子强力仪： ( 2 ) 测试参数：隔距：1 0 m m ；拉伸速度：5 m m m i n ；最大负荷： 3 0 0 0 n ；负荷灵敏度：o 0 1 c n ：张力夹：2 9 ； ( 3 ) 测试条件：温度2 0 3 ；相对湿度6 5 3 。 2 1 3 热稳定性 麻纤维中的反应活性基团，对于热、机械、化学等环境作用极其 敏感。复合加工过程中纤维受到较集中的热的作用( 热能激活纤维中 的反应活性基因，如醇羟基等) 、机械的作用( 机械剪切作用使纤维碎 片化) 以及化学作用( 加工环境中的0 2 、酸碱度) 等使纤维分子受到破 坏性损伤，丧失部分强度性能，因此对麻纤维热塑性树脂基复合材料 的力学性能具有不良影响。纤维的形态性能在其与树脂共混复合过程 中是必须保护的。 纤维素的热降解分为四个阶段：第一阶段，2 5 。c l5 0 。c 物理吸附 水解：第二阶段，1 5 0 。c 2 4 0 。c 某些葡萄糖分子开始断裂；第三阶段， 2 4 0 。c 4 0 0 糖苷键开始断裂；第四阶段，高于4 0 0 。c ，残余部分芳 环化，形成石墨结构 3 0 1 。不过，不同麻的热学性能是不同的。如： 第二章黄麻纤维增强聚丙烯试样的制各 剑麻热处理温度至18 0 2 0 0 。c 时，它的失重率，仅为2 。这是由于 大部分易挥发物在15 0 。c 时已除去，而未发生因结构变化引起的较大 失重圳 。亚麻在低于1 7 0 。c 的温度时只有很小的失重，而在高于1 7 0 。c 时失重就比较大，因为有纤维中分子链的断裂和结晶度的增加【3 ”。 黄麻在温度15 0 。c 时失重25 3 5 ，可能是物理吸附水去除，2 0 0 。c 以上纤维发生主要失重，可能是本身发生分解，在3 0 0 不管在空气 还是在氮气中失重都相当大【3 5 3 6 1 。 在黄麻纤维增强聚丙烯试样的制备中，黄麻纤维必须在一定加工 温度下与聚丙烯混合。这温度必须使聚丙烯达到一定的粘度，否则黄 麻纤维不能在聚丙烯中均匀分散并与其有效的粘结；如加工温度超过 黄麻的分解温度，则会导致其的强度急剧下降，严重影响试样的力学 性能。本试验用如下方法测定黄麻纤维的热学性能， ( 1 ) 热处理： 考虑到黄麻纤维是在与空气隔绝的状态下与聚丙烯混合的，所以 将黄麻纤维放入密封的试管中，使黄麻纤维与空气隔绝，然后把试管 浸入恒温的硅油中+ 段时间，再取出黄麻测其比强度( n g ) 。 ( 2 ) 强力测试： 在电子强力机上测黄麻纤维束在隔距1 0 m m 下的强度，然后剪下 隔距间的麻纤维在电子天平上称重，用强力除以称得的重量就是一次 测量的黄麻纤维束强度。 电子强力机取5 0 n 的量程，拉伸速度取2 0 m m m i n 。麻纤维在测量 前放在恒温室平衡2 4 小时，每个试样的样本数量为2 0 。 实验仪器和设备： 电予天平：精度0 0 0 0 1 9 电子强力机：d c s 一5 0 0日本岛津公司 从表2 1 能看出，黄麻在l8 5 加热5 m i n 比强度没有明显的变化， 即黄麻的力学性能没受到破坏；而聚丙烯的熔融温度低于1 7 0 。c ，且 黄麻在机器中加热的时间不超过2 分钟，所以黄麻满足与聚丙烯混合 的工艺要求的。 第二章黄麻纤维增强聚丙烯试样的制备 表2 1 温度对黄麻纤维强度的影响 处理条件比强度，ng + 1变异系数 一莱面焉五i 砸一一j i 百i 。叉i 矿一一西：砭 18 5 加热5 m i n36 9 1 1 0 41 6 9 2 1 8 5 加热1 5 m i n 3 4 7 4 1 0 42 35 6 注：a 、加热1 5 m i n 的黄麻有淡淡的烧焦味； b 、加热5 r a i n 的黄麻没有烧焦味； c 、加热5 m i n 黄麻的强度几乎没变化；加热1 5 m i n 的黄麻强度卜降了51 。 2 1 4 直径 纤维的细度对复合材料也有一定的影响，一般纤维直径越细，则 缺陷越少，纤维强度和比表面积也大，对提高复合材料强度有利。 显微镜测量黄麻直径：在目镜内装入目镜测微尺，然后将物镜 测微尺放在载物台上，调整显微镜焦距，用物镜测微尺标定目镜测微 尺大小。物镜测微尺上有刻度，一般在长度1 m m 内刻有1 0 0 格，每 一小格为1 0 聊。目镜测微尺上也有刻度，一般在5 m m 内刻有5 0 格 或在l c m 内刻有1 0 0 格，每格在显微镜视野内代表的长度随显微镜放 大倍数而不同。调节物镜测微尺与目镜测微尺刻度重合，计数物镜测 微尺和目镜测微尺的刻度，通过下式计算目镜测微尺每小格代表的长 度。 x ：堕( m ) ( 2 1 ) 2 d = x n ( 2 2 ) 式中：x 一一目镜测微尺每小格的长度( p m ) ； 圮一物镜测微尺在给定区间的刻度数； ”2 一目镜测微尺在给定区间的刻度数； 一目镜测微尺在纤维直径区间刻度数； d 一纤维直径( m ) 。 总共测了3 0 0 根，得黄麻纤维平均直径5 5 朋，变异系数3 7 ， 直径区间是2 0 1 1 0 t i m 。 2 1 5 密度 t 纤维密度试验方法依据g b l 0 3 3 比重瓶浸液试验方法。 一定质量的纤维( 或粉料) 在一定容积的比重瓶中，当液体对其 1 0 第二章黄麻纤维增强聚丙烯试样的制缶 完全浸润时，它占容积大小一定是它空间体积的大小。单位体积的质 量即为密度。当知道比重瓶质量m 。和纤维质量m ，称量排除气泡后 连同浸润液体的总质量m 。，则可知其中含有( m 。卅。一m ，) 的浸润液 体，也可以测得同一比重瓶装满纯净浸液的总质量m ，。 若已知浸液的密度p ，则可推知质量为m ，的纤维所占据的容积 ，得： 肼：竺! 二竺兰：竺! 根据定义，纤维的密度为： ，p l 乃2 霄2 i 写面 整个测定过程需注意温度恒定， 响上式的测量精度。 2 1 6 黄麻的性能 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 否则，不同温度下数据不同，影 所测的黄麻纤维的物理性能如表2 2 所示 表2 - 2 黄麻纤维的物理性能 2 2 聚丙烯的加工特性 聚丙烯是一种晶态均聚物，它具有耐化学腐蚀性、耐热性、低密 度、低成本等优良的综合性能外，作为复合材料的树脂基体，聚丙烯 共聚物深受欢迎【3 8 。虽然没有被列为“工程塑料”，但在许多低应力、 室温下的应用中，增强聚丙烯复合材料比那些使用较贵基体树脂的复 合材料更具有竞争力。 聚丙烯在熔融状态下的流变性，与温度关系不大，而主要与剪切 速率( 压力) 有关，剪切速率每增加3 个数量级，粘度几乎降低一半。 凼此在成型过程中，单靠提高温度，是达不到改善熔体流动性的目的。 相反，易造成热氧化。一克聚丙烯只要吸收1 到2 毫升的氧，就会老 第二章黄麻纤维增强聚丙烯试样的制各 化降解；在1 5 0 下加热0 5 到3 5 小时就发脆。因此在加工时，加 热时问或在设备内停留的时问应尽可能短，以免受热氧化。如挤出的 制品，从模口出来后，应立即进入冷却槽。 由于黄麻纤维对温度比较敏感，温度过高可能导致其分解，破坏 其力学性能。从表21 可看出，黄麻在1 8 5 下短时问加热会导致其 强度1 - 降，而聚丙烯的熔点在17 5 以下，所以可以控制比较低的加 工温度使黄麻不被破坏。 本试验采用的聚丙烯粉料由上海石油化工股份公司提供，其物理 性能如表2 3 所示。 表2 3 聚丙烯的物理性能 物理性能 m f i ，妻宴，拉崧裳度拉伸g p 模a c ma 量 断裂愿眭率2 m rw o p p30 9 l2 8 50 8 6 71 03 4 2 3 试样的制备 2 3 1 试样参数的确定 在本试验中，通过改变黄麻纤维增强聚丙烯试样的黄麻纤维含量 ( 注：此处及以后各章所使用的“纤维含量”是指试样中黄麻纤维的 重量百分数) 和长度，讨论这两因素对试样性能的影响。 将黄麻纤维分别切成3 m