天然大麻纤维的改性及其增强橡胶复合材料的研究

摘要

天然植物纤维来源于可再生资源，具有质轻价廉，来源丰富，可降解回收等优点，成为近年来科学家们的研究热点。大麻纤维（HF）是具有较高的强度和模量的天然植物纤维，用HF纤维代替传统合成纤维作为天然橡胶（NR）的增强体，是获得天然的环境友好型橡胶复合材料的有效途径之一。为了增强HF纤维与NR基体之间的界面粘结，本文采用了不同化学改性方法对HF纤维进行表面改性、添加超支化聚酯多元醇（P500）界面粘合剂，探究其对纤维/橡胶复合材料性能的影响。主要内容如下： （1）探讨了HF纤维份数和表面改性对其天然橡胶复合材料性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、橡胶加工分析仪（RPA）、静态力学性能测试、动态力学性能分析（DMA），发现当HF纤维用量为4phr时，其复合材料的综合性能最好，100%定伸应力、300%定伸应力分别提高了33.18%、20.29%，较好的体现了HF纤维对NR橡胶增强作用。复合材料的滚动阻力也随着加入HF纤维含量的增加而降低。傅里叶变换红外光谱检测（FTIR）发现，马来酸酐（MAH）对HF纤维改性后，成功在HF纤维表面引入了C=C双键，复合材料的力学性能得到改善；材料断面中HF拔出留下的空洞数量减少，纤维与橡胶基体之间的界面孔隙缩小，说明改性后HF纤维与NR基体之间结合力增强，界面粘结得到改善；复合材料的Tanδ降低也表明HF纤维与NR基体之间的界面粘结能力增强； （2）探讨了超支化聚酯多元醇（P500）对HF/NR复合材料性能的影响。发现加入超支化P500后HF/NR复合材料的正硫化时间Tc90随其用量的增加而逐渐缩短，说明P500的加入对NR的硫化起到一定的促进作用；加入2g超支化聚合物P500的复合材料的ML提高了42.10%，说明填料的网络化程度增加，填料之间的相互作用增强，材料的力学性能提高明显，100%定伸和300%定伸分别提高了53.92%，21.09%。加入2g超支化P500时复合材料的相对界面滑脱能（RISE）最大，也表明了纤维与橡胶的界面粘结较好。 （3）通过控制体系有无HF纤维存在，探究复合材料中超支化P500与HF和NR基体之间的作用机制，发现超支化P500与NR基体之间作用较弱，主要是通过分子链缠结；超支化P500和HF纤维存在协同作用。利用NaOH处理HF纤维增加纤维的表面极性（-OH），对超支化P500与HF纤维之间的作用机制进行验证。发现复合材料的性能进一步提高，材料的损耗因子降低，橡胶分子链的运动更困难，HF纤维与NR基体的界面粘结增强，表明P500与HF之间作用增强。主要作用机制：P500含有的大量极性基团与极性的HF纤维之间产生氢键作用，改善纤维在橡胶中的分散性；此外超支化P500所具有的空腔结构和大量支化结构，也能与NR橡胶分子链之间相互缠结，进一步增强HF与NR之间的相互作用，从而提高复合材料界面粘结，改善材料的性能。 （4）将MAH改性和超支化P500协同作用，获得性能较好的环保型纤维/橡胶复合材料。复合材料中HF纤维与NR基体的界面粘合较好，材料的综合性能较好，100%定伸应力达到4.27MPa，撕裂强度和拉伸强度也有一定程度提高；同时材料的耐切割性能和生热情况也有所改善。

目录

第一章 绪论

1.1 大麻纤维

1.1.1 大麻纤维结构与性能

1.1.2 天然纤维的表面改性

1.1.3 大麻纤维增强聚合物基复合材料的研究进展

1.2 超支化聚合物

1.2.1 超支化聚合物的性质及结构特点

1.2.2 超支化聚合物的制备

1.2.3 超支化聚合物的改性及应用

1.3 论文选题的目的及主要研究内容

第二章 实验方案及表征方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 大麻纤维增强天然橡胶复合材料的制备

2.3.1 大麻纤维的预处理

2.3.2 母炼胶的制备

2.3.3 混炼胶的制备

2.3.4 硫化制样

2.4 测试分析

第三章 大麻纤维表面改性对大麻纤维及其天然橡胶复合材料性能的影响

3.1 大麻纤维用量对其增强天然橡胶复合材料性能的影响

3.1.1 前言

3.1.2 复合材料的制备

3.1.3 混炼胶的流变性能分析

3.1.4 复合材料的力学性能分析

3.1.5 复合材料的拉伸断面形貌分析

3.1.6 复合材料的动态力学性能分析

3.2 纤维表面改性对大麻纤维及其天然橡胶复合材料性能的影响

3.2.1 前言

3.2.2 大麻纤维表面改性

3.2.3 复合材料的制备

3.2.4 大麻纤维红外分析

3.2.5 大麻纤维表面形貌分析

3.2.6 混炼胶的流变性能分析

3.2.7 复合材料的力学性能分析

3.2.8 复合材料的拉伸断面形貌分析

3.2.9 复合材料的动态力学性能分析

3.3 本章小结

第四章 超支化聚合物及氢氧化钠处理对大麻纤维/天然橡胶复合材料性能的影响

4.1 超支化聚合物的用量对大麻纤维/天然橡胶复合材料性能的影响

4.1.1 前言

4.1.2 复合材料的制备

4.1.3 混炼胶的流变性能分析

4.1.4 混炼胶硫化性质分析

4.1.5 复合材料的力学性能分析

4.1.6 复合材料的拉伸断面形貌分析

4.1.7 复合材料的相对界面滑脱能

4.1.8 复合材料的动态力学性能分析

4.2 超支化聚合物对大麻纤维/天然橡胶复合材料的作用机制研究

4.2.1 前言

4.2.2 复合材料的制备

4.2.3 混炼胶的红外分析

4.2.4 混炼胶的流变性能分析

4.2.5 混炼胶的硫化性质分析

4.2.6 复合材料的力学性能分析

4.2.7 复合材料的拉伸断面形貌分析

4.2.8 复合材料的溶胀度测试

4.2.9 复合材料的耐切割性能分析

4.2.10 复合材料的动态力学性能分析

4.3 氢氧化钠处理及超支化聚合物对大麻纤维增强天然橡胶复合材料性能的影响

4.3.1 前言

4.3.2 大麻纤维处理

4.3.3 复合材料的制备

4.3.4 大麻纤维红外分析

4.3.5 大麻纤维表面形貌分析

4.3.6 混炼胶的流变性能分析

4.3.7 复合材料的力学性能分析

4.3.8 硫化胶的流变性能分析

4.3.9 复合材料的拉伸断面形貌分析

4.3.10 复合材料的耐切割性能分析

4.3.11 复合材料的动态力学性能分析

4.4 本章小结

第五章 马来酸酐改性及超支化聚合物对大麻纤维/天然橡胶复合材料性能的影响

5.1 前言

5.2 复合材料的制备

5.2.1 纤维表面改性

5.2.2 母炼胶的制备

5.2.3 混炼胶制备

5.2.4 硫化胶制备

5.3 混炼胶的流变性能分析

5.4 混炼胶硫化性质分析

5.5 复合材料的力学性能分析

5.6 复合材料的拉伸断面形貌分析

5.7 复合材料的相对界面滑脱能

5.8 复合材料的耐切割性能分析

5.9 复合材料的动态力学性能分析

5.10 复合材料的疲劳过程分析

5.11 本章小结

第六章 全文的主要内容及总结

参考文献

致谢

附录

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