植物纤维表面特性及与环氧树脂的界面粘结性能研究

1144766066 · 发表于 2022-4-10 11:24:31

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植物纤维具有来源广泛，可再生、可降解等优点，且其比模量和比强度与玻璃纤维相当，将高性能的植物纤维与树脂基体复合而成的复合材料，已被用于建筑、交通、过滤及包装等领域。然而植物纤维表面极性大、亲水性强，且易燃烧，因此植物纤维在与基体树脂复合前，通常要进行表面改性，以降低其吸水性、增强与低极性基体树脂的相容性以及提高阻燃性能。因此掌握表面处理对植物纤维浸润、力学性能影响规律，以及植物纤维与树脂的界面性能，对促进植物纤维增强复合材料的推广应用至关重要。本文首先研究了植物纤维的物理结构特征及表面特性，并采用Weibull分布理论量化了植物纤维的几何参数。结果表明，剑麻纤维、黄麻纤维为多尺度、多化学组分、微纤具有中空结构的纤维，其表面粗糙，截面呈不规则形状；苎麻纱线由数十根苎麻纤维加捻纺织而成；表面处理能改变植物纤维表面粗糙状况和直径。在此基础上，针对植物纤维有别于传统合成纤维的结构特征，分别采用考虑液体吸收的Wilhemy吊片法、粉末法表征剑麻纤维、苎麻纱线的浸润特性，研究了各自的表面能及其极性、色散分量，及与树脂的浸润、粘附作用。结果表明，NaOH和阻燃剂处理显著增加了剑麻纤维表面的极性基团含量和表面能极性分量；硅烷处理使剑麻纤维表面极性基团含量增加但其表面能极性分量减小，总表面能略有下降；50℃下剑麻纤维与E51树脂的浸润性主要与其极性比密切相关，未表面处理的剑麻纤维与E51树脂极性比相当，浸润性最佳。NaOH、阻燃剂和硅烷处理极大地增强了苎麻纱线表面非极性官能团含量，KMnO4、NaOH、阻燃剂、硅烷处理后，苎麻纱线总表面自由能及其色散分量增加，极性分量降低，且与非极性A0树脂的接触角降低，粘附功增大。研究了植物纤维的拉伸性能及断裂机制，以及纤维与树脂复合后的微观界面性能，考察了表面处理、吸湿、浸渍树脂等因素对植物纤维力学及纤维/树脂界面粘结强度的影响。结果表明，剑麻纤维和苎麻纱线的拉伸断裂均为脆性断裂。表面处理后剑麻纤维的拉伸强度均下降，KMnO4表面处理对纤维内部微纤粘结损伤严重，导致其力学性能下降显著；吸湿后剑麻纤维拉伸强度增加，断裂伸长率降低。树脂在低粘度状态能很好地浸渍剑麻纤维，修复其微纤粘结薄弱部位，提高纤维的拉伸强度及与树脂复合的界面粘结强度。

植物纤维表面特性及与环氧树脂的界面粘结性能研究

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