vartm制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究

精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创1/14VARTM制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究中图分类号TQ3278文献标识码APREPARATIONOFJUTEFIBERSREINFORCEDEPOXYRESINCOMPOSITESBYVARTMLIWEI，HUANGHONGYUN，WUYONGQINGABSTRACTINTHISRESEARCH，THEJUTEFIBERSWEREFIRSTTREATEDWITHHEATING，ALKALI，SILANECOUPLINGAGENTANDISOCYANATERESPECTIVELY，THENTHEJUTEFIBERSFABRICSWERETREATEDWITHHOTPRESSINGPROCESS，ANDFINALLY，THEJUTEFIBERREINFORCEDEPOXYRESINCOMPOSITESWEREFABRICATEDWITHVARTMMOLDINGPROCESSSCANNINGELECTRONMICROSCOPYANALYSISSHOWSTHATTHEINTERFACEBONDINGOFJUTEFIBERSTREATEDWITHHEATINGANDALKALIREINFORCEDEPOXYRESINCOMPOSITESHASNOTBEENIMPROVED，BUTTHEINTERFACEBONDINGOFCOMPOSITESHASBEENSIGNIFICANTLYIMPROVEDWITHTHEJUTEFIBERSTREATEDWITHSILANECOUPLINGAGENTANDISOCYANATETHEHOTPRESSINGPROCESSCANNOTONLY精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创2/14INCREASETHEJUTEFIBERSVOLUMECONTENTINTHECOMPOSITESBUTALSOIMPROVETHEPERFORMANCEOFCOMPOSITESBYTHEJUTEFIBERSTREATEDINADVANCEWITHSILANECOUPLINGAGENTANDISOCYANATETHEMECHANICALPROPERTIESOFTHECOMPOSITESSHOWTHATTENSILESTRENGTH，MODULUSANDFLEXURALSTRENGTHOFTHEJUTEFIBERTREATEDWITHTHESILANECOUPLINGAGENTREINFORCEDCOMPOSITEINCREASEBY186，714AND502，RESPECTIVELY，ANDTHETENSILESTRENGTH，MODULUSANDFLEXURALSTRENGTHOFTHEJUTEFIBERTREATEDWITHTHEISOCYANATEREINFORCEDCOMPOSITEINCREASEBY163，340AND503，RESPECTIVELYKEYWORDSJUTEFIBER；COMPOSITES；HOTPRESSINGPROCESS；SILANECOUPLINGAGENT；ISOCYANATE麻纤维是一种天然植物纤维，具有价格低廉、可生物降解、优良的力学性能等优点相比于合成纤维，天然麻纤维具有更好的吸能效果，能制造出高性能的复合材料，可广泛地应用于汽车制造工业12精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创3/14麻纤维种类较多，常见的麻纤维有苎麻3、黄麻、亚麻等黄麻是最廉价的天然纤维之一，黄麻纤维纤维素质量分数约为5760，单纤细度为1518M，单纤长度为155MM，因为单纤维短且长度参差不齐，故无法单纤维纺纱黄麻纤维具有不规则的多边形混合截面，吸湿性和透湿性较苎麻要高245其生物分解性好，初始弹性模量高，不起球，抗菌能力优异，生产成本低，因此具有很好的市场应用前景湖南大学学报2015年第12期李伟等VARTM制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究麻纤维由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和脂肪蜡质组成，不同麻纤维组成有差别麻纤维的主要成分为纤维素，纤维素分子结构中含有大量的羟基，故麻纤维表面极性较大，表现出强的亲水性，容易从空气中吸收水份，导致麻纤维与基体材料的界面结合不佳而且天然麻纤维的大分子结晶度和取向度高，纤维外表面粗硬、无卷曲且勾结强度低所以将麻纤维作为树脂基复合材料的增强材料时，一般需要对麻纤维进行表面改性处理1，35目前麻纤维的表面改性处理主要有热处理、碱液处理6、硅烷偶联剂处理7、异氰酸酯处理8、等离子体处理9等方式通过表面改性可提高麻纤维的界面性能，改善纤维与基体树脂的润湿性，使复合材料力学性精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创4/14能显著提升10将改性麻纤维用于树脂基复合材料的增强材料时可以获得综合性能优良的树脂基复合材料11环氧树脂是制造树脂基复合材料的一种常用的基体树脂，最常见的复合材料是玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料虽然环氧树脂在树脂基复合材料中的使用成史已经比较悠久，但是对环氧树脂基复合材料的研究仍然是当今的热点12作为一种基体树脂，环氧树脂具有种类繁多、容易满足设计需求的优点，但也存在不导电、性脆等缺点，在制备环氧树脂基复合材料时，有时也需要对树脂进行改性，从而获得其优异的性能13真空辅助树脂传递模塑成型工艺是先进复合材料制造技术的主要发展方向之一，现已广泛应用于船舰、航空、航天、汽车等领域VARTM工艺是先将增强材料放置于模腔中，然后合模、抽真空排除模腔中的气体，再在一定的温度和压力下将液态树脂注入模腔内，使之与增强纤维充分润湿，在一定温度下固化、后固化，最后经脱模得到复合材料制品本文以环氧树脂为基体，可生物降解的黄麻纤维作为增强材料，通过改变传统的工艺路线，增加对黄麻纤维布精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创5/14进行热压工艺处理，该工艺不仅可以提高复合材料中麻纤维的体积分数，而且对改善复合材料的力学性能有明显的效果，采用VARTM工艺制备麻纤维增强环氧树脂复合材料并进行了系统研究1实验过程11黄麻纤维表面处理热处理是将黄麻纤维放入鼓风干燥箱中，分别在120，150和180下处理4H，将麻纤维取出后置于真空密封条件下保存备用碱处理是将黄麻纤维布浸入2的NAOH溶液中，于60下处理4H，再用去离子水洗涤至中性并在80干燥硅烷偶联剂处理是将KH550配制成3的乙醇溶液，然后把黄麻纤维布浸入溶液中10MIN，取出纤维布放置在空气中30MIN，最后90烘干异氰酸酯处理是将黄麻纤维布放入异氰酸酯的丙酮溶液中，以浓硫酸为催化剂，在55油浴加热反应5H，取出用丙酮洗涤后80烘干模具和复合材料样品见图112黄麻纤维布的热压工艺精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创6/14为了提高复合材料中麻纤维的含量，将表面处理的黄麻纤维布裁成190MM140MM的规格，整齐叠放在平板热压机模具中，在1MPA和100条件下热压30MIN图1模具和复合材料样品FIG1MOULDANDCOMPOSITESAMPLES13黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的制备将黄麻纤维布剪裁成190MM140MM的规格并精确称量其质量后整齐铺放在VARTM模腔中，合模；模具一端导管连接真空泵，一端连接注射系统，中间部分接入压力表用来测量模腔中的压力通过抽真空排除模腔内的空气，然后将混合好的树脂注入模腔中；模腔注满后封住连接真空泵的一端，继续注射，使模腔内的压力达到1MPA，然后封闭所有端口；将模具放入烘箱中60固化20H，脱模取出板材；将复合材料板在80下固化5H14材料性能表征采用FEIQUANTA200扫描电镜观察复合材料断裂面的精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创7/14形态黄麻纤维增强环氧树脂复合材料按照GB/T14472005和GB14492005进行切割并铣到规定的形状和尺寸，所以样品在INSTRON3369万能试验机上进行拉伸测试和三点弯曲测试2实验结果与讨论21不同表面处理对复合材料断面形貌的影响从未表面处理黄麻纤维复合材料断面SEM图可见，断裂面麻纤维拔出长度较大，且纤维表面未粘有树脂，这充分说明黄麻纤维与基体树脂的界面结合非常差，将直接导致复合材料的力学性能较低，所以欲获得良好界面粘结强度的复合材料必须对黄麻纤维进行表面改性处理图2未表面处理黄麻纤维复合材料断面SEM图FIG2THECROSSSECTIONSEMMICROPHOTOGRAPHSOFCOMPOSITESMADEBYJUTEFIBERSWITHOUTSURFACETREATED精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创8/14将黄麻纤维分别在120，150和180条件下热处理4H，并将其与环氧树脂制成复合材料图3为热处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图，从图3可见，120热处理黄麻纤维增强复合材料断面黄麻纤维拔出长度仍然较长，黄麻纤维表面光滑，基本未粘有树脂，这说明黄麻纤维与树脂界面结合仍然不佳图3为150热处理黄麻纤维复合材料断裂面，可以看出黄麻纤维拔出长度明显短于120热处理的样品，同时黄麻纤维表面粘有少量树脂，这证明了黄麻纤维与树脂的界面结合得到了改善图3为180热处理黄麻纤维增强复合材料，从图中能明显地看出黄麻纤维拔出的长度进一步缩短，但黄麻纤维表面粘附的树脂仍然不多由此可见，通过热处理的黄麻纤维增强复合材料可有限地提高黄麻纤维与树脂的界面结合，但单纯通过对黄麻纤维热处理使复合材料力学性能提高的效果仍不太明显碱处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM如图4所示，可见断裂拔出的黄麻纤维表面粘有较多的树脂，说明黄麻纤维与树脂的界面结合得到了较大的改善，但纤维拔出的长度比较长精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创9/14硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料断面SEM如图5所示从图5可见，与热处理和碱处理黄麻纤维相比较，硅烷处理的黄麻纤维制备的复合材料断裂后纤维拔出的长度更短图5中拔出的黄麻纤维表面粘有较多的树脂，黄麻纤维的根部与树脂的缝隙也非常小，这充分说明了黄麻纤维与树脂界面结合良好，复合材料的力学性能得到了显著提高用六亚甲基二异氰酸酯处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM如图6所示，由图6可看出，黄麻纤维拔出长度较短，与硅烷处理后的情况基本一致，而由图6可清楚地看到黄麻纤维表面粘有大量的树脂，所以可以确定黄麻纤维和环氧树脂经过异氰酸酯处理后的界面结合良好图5偶联剂处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图FIG5THECROSSSECTIONSEMMICROPHOTOGRAPHSOFJUTEFIBERWITHCOUPLINGAGENTTREATMENTREINFORCEDCOMPOSITES综上所述，将黄麻纤维进行热处理和碱处理对复合材精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创10/14料的界面结合作用提升不大；而硅烷处理和异氰酸酯处理可以显著提高黄麻纤维与基体树脂的界面结合；为了进一步证明以上结果，将对复合材料的力学性能进行测试和分析22复合材料力学性能分析221拉伸性能影响树脂基复合材料性能的主要因素有增强材料、基体树脂以及基体与增强材料的界面粘接强度等为了提高复合材料中黄麻纤维的体积分数，实验中将黄麻纤维布进行热压工艺处理，黄麻纤维未经热压制备的复合材料麻纤维体积分数为273，经热压的样品黄麻纤维体积分数可提高到336纯环氧树脂、未热压黄麻纤维复合材料及热压黄麻纤维复合材料试样拉伸性能测试结果见表1，未热压麻纤维复合材料比纯环氧树脂试样的拉伸强度增加了253、拉伸模量提高了529；而黄麻纤维布经热压后制备的复合材料比纯环氧树脂试样拉伸强度则增加了512、拉伸模量提高达1114黄麻纤维热压工艺使复合材料中纤维含量提高了63，当基体树脂的粘度足够低时，在满足树脂对增强材料的充分浸润前提下，制备出来的复合材料将具有更好精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创11/14的力学性能可见黄麻纤维的热压工艺对提高黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸性能具有重要意义表1不同处理条件下的黄麻纤维增强复合材料拉伸强度和模量TAB1THETENSILESTRENGTHANDMODULUSOFJUTEFIBERWITHDIFFERENTTREATMENTREINFORCEDCOMPOSITES复合材料性能环氧树脂纤维未处理偶联剂处理纤维HDI处理精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创12/14纤维热压工艺拉伸强度395597639632是/MPA395495590576否拉伸模量26534560927325677967是/MPA26534405727060254358否由表1可知，当黄麻纤维未经热压处理时，与未表面处理的黄麻纤维增强复合材料相比较，硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度提高了186，异氰酸酯处理则提高了163；硅烷偶联剂处理黄麻纤维增强复合材料的拉伸模量提高了714，异氰酸酯处理只提高了340当黄麻纤维经热压工艺处理后，硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度只提高了70，异氰酸酯处理也只提高了58；硅烷偶联剂处理麻纤维增强复合材料的拉伸模量增加了306，异氰酸酯处理则增加达370由此可见，热压工艺、硅烷偶联剂和异氰酸酯处理黄麻纤维可明显提高复合材料的拉伸强度和拉伸模量，这主要是由于热压工艺提高了复合材料中纤维的体积分数，硅烷偶联剂和异氰酸酯处理黄麻纤维能有效地改善黄麻纤维和树脂基体的界面粘结强度，能有效地将外力在纤维和树脂之间进行传递，最终达到改善复合材料的拉伸性能的结果精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创13/14222弯曲性能黄麻纤维的热压工艺对复合材料弯曲强度的影响见表2，未热压的黄麻纤维增强复合材料的弯曲强度比纯树脂只提高了144，但是热压处理后显著提高达到了919可见黄麻纤维热压处理对提高黄