纖維素增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能研究.pdf

1、纖維素是自然界中儲量最大的可再生和可降解天然高分子。隨著當(dāng)今自然資源的日益匱乏和人們環(huán)境意識的持續(xù)增強(qiáng)，纖維素在復(fù)合材料中的應(yīng)用成為各國的研究熱點(diǎn)。纖維素增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能強(qiáng)烈地受到纖維素的分散及其與聚合物基體界面結(jié)合強(qiáng)度的限制。本論文以天然纖維素增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料為研究對象，以提高纖維素復(fù)合材料力學(xué)性能為目的，開展了以下幾部分工作。
　　首先用竹纖維素填充改性熱固性塑料環(huán)氧樹脂，制備出不同竹纖維素含量的復(fù)合材料并測試其

2、力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理竹纖維素的添加降低了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，這主要是因?yàn)橹窭w維素與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度太低。為此，對竹纖維素分別用稀堿溶液和偶聯(lián)劑進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)4％NaOH溶液或偶聯(lián)劑KH560處理后的竹纖維素/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率顯著升高，沖擊強(qiáng)度小幅下降;纖維素改性處理后的復(fù)合材料綜合力學(xué)性能較純環(huán)氧樹脂顯著提高，且偶聯(lián)劑處理優(yōu)于堿處理的效果。
　　分別用竹纖維素、微晶纖維素和細(xì)菌纖維素作為增

3、強(qiáng)材料，采用熔融共混法制備了纖維素/聚乳酸復(fù)合材料，研究了三種纖維素填充聚乳酸的力學(xué)性能。結(jié)果表明:竹纖維素、微晶纖維素和細(xì)菌纖維素均能有效提高聚乳酸的楊氏模量和沖擊強(qiáng)度，并具有促進(jìn)聚乳酸結(jié)晶的能力。由于竹纖維素和細(xì)菌纖維素在聚乳酸中的分散性較差，添加這兩種纖維素明顯降低復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。三種復(fù)合材料中，微晶纖維素/聚乳酸具有最佳的綜合力學(xué)性能，楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度分別比純聚乳酸增加44.4、16.4和58.8％。

4、
　　研究了竹纖維素的堿處理和偶聯(lián)劑處理，以及聚乳酸的馬來酸酐接枝改性對聚乳酸基復(fù)合材料的界面結(jié)合及力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)4％NaOH溶液處理竹纖維素可顯著提高纖維素/聚乳酸復(fù)合材料的強(qiáng)度，KH560處理竹纖維素能明顯提高復(fù)合材料的韌性，而馬來酸酐接枝聚乳酸改性在提高復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性這兩方面的能力都處在中間。表征和分析認(rèn)為，KH560處理竹纖維素和馬來酸酐接枝聚乳酸改性提高復(fù)合材料力學(xué)性能的機(jī)理，主要是在聚乳酸和竹纖維素間形成化學(xué)

5、鍵連接，而堿處理竹纖維素是通過劈裂作用使竹纖維素成為更細(xì)小完善的纖維，顯著增加竹纖維素的表面積和長徑比，同時改善聚乳酸對竹纖維素的浸潤性。
　　以秸稈纖維素為原料，通過可控溶解制備全纖維素復(fù)合材料，研究了不同溶解時間對其力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈纖維素溶解時間為4h時獲得的全纖維素復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度可達(dá)269.9 MPa，斷裂伸長率為45.1％，楊氏模量為1.5 GPa。隨著秸稈纖維素溶解時間的增加，全纖維素

6、復(fù)合材料的再生纖維素基體的連續(xù)性增加，而其中纖維素Ⅰ晶型的含量逐漸降低。進(jìn)一步分析認(rèn)為，一步法制備全纖維素復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由其中再生纖維素（Ⅱ晶型）形成的連續(xù)相基體及其與未溶解的增強(qiáng)體纖維素Ⅰ晶型的比例所控制。當(dāng)對纖維素原料的溶解時間較短時，全纖維素復(fù)合材料的力學(xué)性能主要受再生纖維素基體的連續(xù)性控制;當(dāng)原料溶解時間達(dá)到一定值之后，全纖維素復(fù)合材料的力學(xué)性能主要受復(fù)合材料中纖維素Ⅰ晶型含量控制。
　　用秸稈纖維素增強(qiáng)再生微晶纖

7、維素，采用兩步法制備全纖維素復(fù)合材料，研究了對秸稈纖維進(jìn)行活化預(yù)處理和堿處理對全纖維素復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、形貌和力學(xué)性能的影響。往微晶纖維素溶液中直接添加未改性秸稈纖維素，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。對秸稈纖維素進(jìn)行活化處理后，全纖維素復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高，拉伸強(qiáng)度達(dá)650.2 MPa（比未改性復(fù)合材料提高近6倍），楊氏模量達(dá)11.2 GPa，斷裂伸長率為10.4％。對秸稈纖維素進(jìn)行堿處理后，制備的全纖維素復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度可達(dá)568.6 M