復合材料的力學性能課件

表面改性劑對植物纖維/聚丙烯復合材料力學性能的影響采用不同的表面改性劑(苯甲酸、硬脂酸、有機硅烷)對植物纖維/聚丙烯復合體系進行了處理,研究了表面改性劑對體系力學性能的影響規(guī)律,探討了復合材料界面粘接機理,分析了力學性能的變化規(guī)律。研究結果表明,苯甲酸的加入可以使復合材料的拉伸強度有較大提高,但沖擊強度下降;經硬脂酸處理的復合材料,其沖擊強度有明顯提高;經有機硅烷處理的復合材料,拉伸強度及沖擊強度均有所提高。以天然植物纖維與熱塑性樹脂混合制備的復合材料具有質量輕,加工性能好的特點,在許多領域有著廣泛的應用前景。植物纖維價廉易得,具有較大的強度,剛度和耐熱性。作為天然材料,植物纖維還可被生物降解,植物纖維/熱塑性樹脂復合材料也因此具備一定的環(huán)境相容性,是一條減輕目前“白色污染”的可行途徑。因此,對植物纖維/聚丙烯復合材料的研究有著很重要的理論意義和實用價值。由于植物纖維分子結構中含有大量的羥基,極性較強,與非極性的聚丙烯混合時相互作用力很小,界面結合力差,會影響復合材料的力學性能。故必須使用表面改性劑對材料進行改性,以提高兩種材料的界面結合力。復合材料的特點1試驗部分111原材料植物纖維(自制)聚丙烯苯甲酸硬脂酸NaOH112試驗儀器塑料注射機,M22025521型,英國;高速混合機,GH2100Y型,北京市塑料機械廠;簡支梁沖擊試驗機,XCJ24型,承德市材料試驗機廠;材料拉伸試驗機,Instron21185型,英國。113植物纖維的制備將秸桿粉放入715%的NaOH溶液中浸泡48h后,分離出纖維并沖洗,再經漂白后水洗至中性,最后用烘箱烘干制得植物纖維。114復合材料的制備按以下工藝流程制備植物纖維/聚丙烯復合材料。2結果與討論要使植物纖維/聚丙烯復合材料具備良好的力學性能,首先要解決好兩者之間相容性的問題。由于植物纖維有較強的極性,使其與非極性聚丙烯的界面潤濕性、界面粘合性極差,因而未經表面處理的植物纖維與聚丙烯復合材料的機械強度很低,無使用價值。所以,選擇不同的表面改性劑對植物纖維進行表面改性,增加其與聚丙烯的相容性,是使復合材料的力學性能得以顯著改善的重要措施。為此,選擇了苯甲酸、硬脂酸及有機硅(A151)3種表面改性劑對植物纖維進行表面改性,并對改性效果進行了比較與探討(植物纖維在聚丙烯中的含量均為30%(質量分數))。211苯甲酸含量對復合材料力學性能的影響從下圖中可知,復合材料的拉伸強度隨苯甲酸含量的增加而增大,而沖擊強度隨苯甲酸的含量增大而減小。這主要是因為加入苯甲酸之后,羧酸根(—COOH)有助于減少纖維的羥基(—OH)數目,使羥基發(fā)生酯化反應,減低了纖維的極性與吸濕性,從而提高了植物纖維與聚丙烯的相容性,促使兩者的界面有更好的接觸,當材料受拉伸時纖維增強作用會加強,有助于提高復合材料的拉伸強度。同時,由于苯甲酸中帶有苯環(huán),苯環(huán)主要與聚丙烯無定性區(qū)域相結合,由于其體積位阻效應會阻礙無定性區(qū)域內分子的運動,這樣就會使得復合材料的韌性有所減弱,表現為復合材料的沖擊強度有所下降。另外,由于苯環(huán)的引入,將會有助于提高復合材料的熱穩(wěn)定性[2]。苯甲酸含量對復合材料拉伸性能和沖擊性能的影響其結果是:前者提高了植物纖維對聚丙烯的增強效果;而后者則減弱了聚丙烯分子間的相互作用力,這樣,就有利于吸收外界的沖擊能,減少應力集中現象。兩者綜合作用的結果,表現為硬脂酸的加入對復合材料拉伸強度的影響不大,而沖擊強度則有明顯的提高。硬脂酸含量對復合材料拉伸性能和沖擊性能的影響有機硅烷含量對復合材料力學性能的影響由下圖可知,隨著有機硅烷用量的加,復合材料的拉伸強度會明顯增加,當有機烷含量達115%時,拉伸強度達最大值。以上結果說明,硅烷偶聯劑水溶液的滲透性極強,可滲透植物纖維顆粒的所有間隙,從而進一步浸潤植物纖維顆粒的全部表面,使得偶聯劑與植物纖維表面保持良好的接觸;而有機硅烷中的烷氧基團水解后形成硅醇,這樣,硅醇就可以跟植物纖維中的羥基作用,使纖維的吸水性減少,降低了纖維的極性[3]。

有機硅烷含量對復合材料拉伸性能和沖擊性能的影響可見,隨著有機硅烷的增加,復合材料的沖擊強度呈緩慢上升趨勢。當有機硅烷的用量為115%時,其沖擊強度達最大值;之后,隨著有機硅烷用量的增加,沖擊強度值的變化很小,并略有下降。這說明,當有機硅烷的用量為115%時,聚丙烯樹脂與植物纖維具有較好的相容性,因而體系的沖擊強度值最大。3結論苯甲酸、硬脂酸和有機硅烷都可以作為植物纖維/聚丙烯體系有效的表面改性劑。加入苯甲