氧化石墨烯-玄武岩纤维/聚乳酸复合材料研究

摘要

随着工业高速发展和计算机技术的不断进步，绿色环保已成为时代主题。在汽车行业，新能源技术、绿色材料、智能车是主要的发展方向，而在绿色材料中纤维增强聚合物复合材料是一大组成部分。聚乳酸（PLA）凭借着优良的生物降解性一直是绿色材料的首选，而玄武岩纤维（BF）也是以绿色环保而著名。同时强度较好的氧化石墨烯（GO）也频频引入到纤维增强聚合物复合材料中。本文通过密炼后热压的方法，以聚乳酸为基体，玄武岩纤维做增强体复合成二元材料，并探究纤维表面处理后对材料性能的影响。论文的主要内容如下： （1）选用硅烷偶联剂（KH550）做表面处理剂对玄武岩纤维的表面进行改性，并将采用Hummers法制得的氧化石墨烯（GO）引入到改性剂中进一步改善玄武岩纤维表面情况。同时改变KH550的浓度对玄武岩纤维进行改性，制备成复合材料后对其微观性能进行测试。结果表明，在KH550浓度为0.85%时，改性效果达到最佳。在结晶方面，氧化石墨烯的加入提高材料的结晶性能，并在材料中出现“串晶”现象，这对材料的宏观力学性能提升有着积极的作用。 （2）以改性后的玄武岩纤维（KBF、KBF-GO）做为增强体，改变玄武岩纤维的含量并制备得到KBF/PLA和KBF-GO/PLA，通过热压法制备成标准试件进行一系列的测试。结果表明，纤维含量的增多可以提升复合材料的力学性能，KBF20/PLA及KBF-GO20/PLA材料的拉伸强度较PLA的拉伸强度分别提高了28.9%和37.2%。经过改性后的玄武岩纤维表面变得粗糙并与聚乳酸基体之间建立更为牢固的界面，同时粗糙的玄武岩纤维表面可吸附更多的聚乳酸基体在纤维周围形成晶体，而氧化石墨烯（GO）加入后，成核位点增多诱导晶核形成并促进晶体生长，从而在材料中出现“串晶”结构，来提高材料的综合性能。 （3）以数学模型对复合材料的拉伸性能进行模拟，并与实验数值进行对比，实现模型模拟与实验数据之间的相互佐证。模拟结果表明，Rom模型对材料的拉伸强度模拟效果较好，揭示了纤维在基体中均匀随机分布，而Halpin-Tsai模型、Tandon-Weng模型对复合材料的弹性模量模拟结果较好。最后选用Kelly-Tyson模型对KBF/PLA和KBF-GO/PLA的界面性能进行研究。 本文的相关研究结果对于氧化石墨烯-玄武岩纤维/聚乳酸复合材料的后续研究具有一定的指导意义。

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