表面纳米化修饰的黄麻纤维及其增强聚丙烯复合材料研究

摘要

黄麻纤维增强聚丙烯复合材料具有着质轻、价廉、力学性能优异以及环境友好等优点，在人类生产生活中具有广泛的应用。但是由于黄麻纤维与聚丙烯（PP）之间的界面相容性差，加工成型后的复合材料往往不能充分发挥黄麻纤维的增强效果。本论文采用原位法对经过预处理的黄麻纤维进行表面沉积纳米SiO2粒子。研究了黄麻纤维的预处理以及沉积纳米粒子对黄麻纤维性能的影响，制备了纳米化修饰的黄麻纤维/PP复合材料，研究了其力学性能和界面，建立了此类复合材料的复合模型和界面作用机制。 分别采用碱处理、乙二胺/碱处理以及酸/碱处理等三种方法对黄麻纤维进行预处理，发现三种处理方法均能去除黄麻纤维表面的胶质果胶、杂质，增加黄麻纤维粗糙度，提高纤维素的结晶度以及表面能。对比不同的处理，酸/碱处理能够更好地去除黄麻纤维的表面胶质，最大程度的使黄麻纤维表面沟壑外露，增加其表面粗糙度，提高其表面能和亲水性。 以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，采用原位法在经过酸/碱处理后的黄麻纤维表面沉积纳米SiO2粒子。通过单因素变量法分析了纳米SiO2粒子在黄麻纤维的表面沉积机理以及界面结合机制。利用正交试验确定了最佳的沉积工艺：0.1g的黄麻纤维在温度为40℃、TEOS用量为0.5mL、氨水浓度为0.60mol/L的条件下原位沉积6h时，纳米SiO2粒子沉积量为2.40wt%，粒径为80nm，其单纤维的综合性能最优。 对不同处理（未处理、酸/碱处理、表面纳米S iO2修饰处理）的黄麻纤维与PP所形成复合材料的力学性能以及微观断口形貌进行了分析。结果表明，表面纳米SiO2修饰处理后的黄麻纤维/PP的力学性能显著提升。相比于未处理的黄麻纤维/PP复合材料，表面修饰纳米SiO2的黄麻纤维/PP复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别提高47.50%、39.33%、41.45%。通过微观断口形貌可知，在三种处理条件下，经过纳米化修饰后的黄麻纤维与PP的基体结合的最为紧密，几乎不发生纤维拔出现象。说明纳米SiO2显著改善了黄麻纤维与PP基体之间的界面结合性能。在分析此类界面性能的基础上，建立了此类复合材料的界面复合模型。

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