大麻纤维/不饱和聚酯复合材料的改性、表征及性能研究

摘要

本文分别采用六亚甲基二异氰酸酯（DIH）与丙烯酸羟乙酯（HEA）、甲基丙烯酸2-异氰酸基乙酯（IEM）为改性剂对大麻纤维进行表面化学处理，通过手工铺装模压成型方式制备表面改性大麻纤维/不饱和聚酯（UPE）复合材料；采用甲基丙烯酸丁酯（BMA）为增韧剂与UPE树脂共混，以期提高大麻纤维/UPE复合材料的冲击韧性；研究不同纤维表面改性和树脂改性对复合材料力学性能和吸水性能的影响；采用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶红外光谱（FT-IR）表征大麻纤维表面化学成分；采用扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料的界面结合情况；采用动态热机械分析（DMA）研究BMA增韧复合材料的粘弹性行为和损耗特征。通过实验得出以下结论：
　　（1）DIH-HEA改性纤维后，复合材料的拉伸强度、弯曲强度及弯曲模量均有显著提高，但复合材料的冲击强度有所下降；当DIH用量为纤维干重的3％时，复合材料的总体力学性能最佳，与对照相比，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别提高22.6%，28.4%和18.2%。
　　（2）IEM改性纤维能显著提高复合材料的拉伸强度，弯曲强度和弯曲模量，但降低复合材料的冲击强度；当IEM用量为纤维干重的5%时，复合材料的综合力学性能最好，与对照相比，复合材料的拉伸强度，弯曲强度和弯曲模量分别提高22.5%，20.1%和19.2%。
　　（3）BMA增韧UPE能显著提高大麻纤维/UPE复合材料的断裂伸长率、弯曲应变和冲击强度；与对照相比，当BMA用量为纤维干重的30%时，复合材料的总体力学性能最佳，其拉伸强度和弯曲强度无显著变化，而断裂伸长率、弯曲应变和冲击强度分别提高25.8%、37.1%和26.0%。
　　（4）复合材料断面SEM分析表明：用DIH-HEA或IEM处理大麻纤维改善了纤维与UPE树脂之间的界面结合；而用BMA增韧后，复合材料的断裂方式明显从脆性断裂转变为韧性破坏。
　　（5）纤维表面FT-IR分析表明：DIH-HEA或IEM中的异氰酸酯基均与大麻纤维表面的活泼羟基发生共价键结合生成氨基甲酸酯。
　　（6）纤维表面XPS分析表明：经DIH-HEA改性的大麻纤维宽扫描谱图上有明显的N元素吸收峰，改性大麻纤维C1s结合形式中出现C-N和N-C=O两种结合，同时O1s结合形式中C=O/O-C=O和O-C=O基团的相对含量增加，这些均可说明DIH-HEA以氨基甲酸酯结构的形式接枝到大麻纤维表面。
　　（7）IEM改性大麻纤维均能显著提高两种不同温度下复合材料的耐水性能，即复合材料的平衡吸水率和水分扩散系数显著降低；室温条件下，复合材料的吸水特性遵循Fickian定律，而在高温条件下则不符合，且高温条件下复合材料的水分扩散系数明显高于室温。
　　（8）DMA分析表明：BMA增韧降低复合材料的储存模量和玻璃化转变温度，提高其损耗因子，说明BMA增韧降低了复合材料的热稳定性。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 大麻纤维聚合物基复合材料的界面改性

1.3 不饱和聚酯树脂的改性

1.4 大麻纤维/不饱和聚酯复合材料的研究现状

1.5 本论文研究的内容

第二章 DIH-HEA改性大麻纤维/UPE复合材料的力学性能及表征

2.1 实验部分

2.2 结果分析与讨论

2.3 本章小结

第三章 IEM改性大麻纤维/UPE复合材料的力学性能、吸水性能及表征

3.1 实验部分

3.2 结果分析与讨论

3.3 本章小结

第四章 BMA增韧大麻纤维/UPE复合材料的力学性能及表征

4.1 实验部分

4.2 结果分析与讨论

4.3 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢