竹條-乙烯基酯復(fù)合材料的界面吸濕性能及界面性能的AFM表征.pdf

1、隨著人們對建設(shè)環(huán)境友好型社會理念意識的提高，天然纖維增強復(fù)合材料已日趨受到關(guān)注。竹是一種天然的植物材料，具有資源豐富、力學(xué)性能高、可生物降解等特性。研究開發(fā)竹材增強復(fù)合材料既能符合環(huán)境保護的要求，又能提高竹材的利用率，對我國經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展都具有十分重要的意義。然而，由于竹本身的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，在一定的大氣濕度條件下，表現(xiàn)出較強的極性和親水性，在制備復(fù)合材料的工藝過程中易形成鼓泡和翹曲變形，加劇與樹脂的界面不相容性。另外，當(dāng)制備好

2、的竹材增強復(fù)合材料在室外濕環(huán)境下使用時，竹材的吸濕性也將引起復(fù)合材料界面的破壞和整體力學(xué)性能的下降。因此，對竹材增強復(fù)合材料界面吸濕性能的研究（包括制備過程中工藝環(huán)境濕度對界面粘結(jié)強度的影響以及復(fù)合材料使用過程中的界面吸水老化特性）非常必要。此外，雖然憑借力學(xué)測試方法可以直接地測量和計算復(fù)合材料的界面剪切強度，但是從納米尺度上研究界面微觀性質(zhì)對全面反映復(fù)合材料界面狀態(tài)的本質(zhì)至關(guān)重要。
　　 論文是圍繞竹材/樹脂間的界面吸濕性能及

3、從納米尺度上對界面性能進行表征而展開研究的，以期實現(xiàn):(1)量化復(fù)合材料制備過程中，環(huán)境濕度對竹材/樹脂復(fù)合材料界面粘結(jié)強度的影響;(2)探索有效的化學(xué)改性方法對竹材進行改性，降低竹材的吸濕性能及提高竹材增強復(fù)合材料的界面抗?jié)裥阅?(3)采用原子力顯微鏡技術(shù)(AFM)對竹材/樹脂的界面區(qū)域形貌進行掃描和力學(xué)性能測試，分析復(fù)合材料納米尺度范圍內(nèi)的界面特性。
　　 論文以竹條（經(jīng)刨削工藝獲得的、具有一定寬度和厚度的竹片材）和乙烯基酯

4、樹脂為研究對象，對不同濕度環(huán)境下竹條的吸濕特性、復(fù)合材料制備過程中的環(huán)境濕度對界面粘結(jié)強度的影響進行了分析。結(jié)果表明:竹條是一種強吸水性材料，其吸濕特性與其它天然纖維（如棉、麻纖維）類似，吸濕后的竹條具有顯著的尺寸膨脹性，且其拉伸延展性和彈性模量分別有所提高和降低;隨著復(fù)合材料制備過程中環(huán)境濕度的增加，竹條/乙烯基酯樹脂的界面粘結(jié)強度先呈線性下降，后再突然加速下降。與干燥條件下制備的材料試樣的界面粘結(jié)強度相比，標(biāo)準(zhǔn)實驗室條件下（20±2

5、℃，65±2％RH）獲得的竹條增強乙烯基酯復(fù)合材料的界面粘結(jié)強度只是前者的一半，而在相對濕度為80％RH和90％RH條件下制備的復(fù)合材料界面的粘結(jié)強度值幾乎為零。此現(xiàn)象表明，復(fù)合材料制備過程中的環(huán)境濕度對其界面粘結(jié)強度的影響是極其嚴重的。
　　 為了改善上述現(xiàn)象，需對竹條進行化學(xué)改性。采用了堿處理、乙?；幚?、高錳酸鉀氧化處理以及硅烷偶聯(lián)劑處理，分析比較了四種處理方法對竹條吸濕性能及干、濕環(huán)境下與乙烯基酯樹脂粘結(jié)性能的影響。研究

6、表明:乙酰化處理能有效降低竹條的吸濕性（包括各種濕度條件下竹條的平衡含濕率和水分子在竹條中的擴散系數(shù)），高錳酸鉀氧化和硅烷偶聯(lián)劑處理對改變竹條的吸濕性能效果不明顯，而堿處理提高了竹條的吸濕性能。在竹條/乙烯基酯樹脂的粘結(jié)性能方面，四種化學(xué)改性方法都有效提高了干竹條/乙烯基酯樹脂的界面粘結(jié)強度，其中，硅烷、乙酰化和高錳酸鉀處理的效果較好，但彼此間無統(tǒng)計意義上的顯著性差異，而堿處理的效果相對較差;隨著制備環(huán)境濕度的增加，無論是否通過化學(xué)改性

7、，竹條與乙烯基酯樹脂間的界面粘結(jié)強度都急劇下降。通過對比竹條/乙烯基酯樹脂在高濕度制備條件下的界面剪切強度值可知:當(dāng)環(huán)境濕度為80％RH時，除了乙?；幚淼脑嚇樱渌性嚇拥慕缑嬲辰Y(jié)強度值都幾乎為零;乙?；幚碓嚇拥慕缑婕羟袕姸戎蹬c未處理試樣在40％RH的濕度條件下獲得的界面剪切強度值大致相等，也與其它三種化學(xué)處理試樣在60％RH的濕度條件下獲得的界面剪切強度值相等。上述結(jié)論表明，由環(huán)境濕度引起的復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的降低可通過對竹條

8、進行乙酰化處理得到有效改善。
　　 作為對復(fù)合材料界面吸濕性能的研究，論文還分析了干燥環(huán)境下制備的竹條/乙烯基酯復(fù)合材料試樣在水中浸泡不同時間后界面粘結(jié)強度的變化情況。結(jié)果表明:由吸水老化導(dǎo)致的界面粘結(jié)強度的下降主要發(fā)生在浸泡水中9天內(nèi)（損失38％）;此后，隨著浸泡時間的延長，界面粘結(jié)強度值保持穩(wěn)定，直至浸泡100天后都未發(fā)生顯著變化。四種化學(xué)處理對竹條增強乙烯基酯復(fù)合材料吸水老化性能的影響表明:在短浸泡時間內(nèi)，硅烷處理試樣的界

9、面粘結(jié)強度值保留情況最好，而隨著在水中浸泡時間的延長，乙?；幚韺刮匣阅艿男Ч饾u體現(xiàn)出來。
　　 以上研究中的試樣界面粘結(jié)強度都是通過竹條抽拔實驗測得的。該方法雖能直接地測量界面粘結(jié)強度，但是由于界面尺度小，界面相形態(tài)復(fù)雜，此方法并不能完全表征復(fù)合材料界面的本質(zhì)特性。為此，本課題還采用原子力顯微鏡中的輕敲模式和納米壓痕技術(shù)對干燥竹條/乙烯基酯樹脂間的界面形貌和力學(xué)性能進行了分析和表征。結(jié)果顯示:竹條/樹脂間存在兩種不同

10、形態(tài)的界面，即纖維素/樹脂界面和木質(zhì)素/樹脂界面;在未改性的竹條/樹脂系統(tǒng)中，兩者間存在較小的界面相，其樹脂-界面-纖維素（或木質(zhì)素）間的彈性模量分布呈現(xiàn)為非連續(xù)的突變;竹條經(jīng)化學(xué)改性后，明顯存在著彈性模量介于纖維素（或木質(zhì)素）和樹脂間的過渡區(qū)域，且界面處的彈性模量也比未處理試樣大。該方法能從納米尺度上有效地獲得竹條/樹脂的微觀形貌特征和力學(xué)性能的分布信息。
　　 本課題關(guān)于竹條增強乙烯基酯復(fù)合材料界面吸濕性能的研究結(jié)果，對其它