棕榈纤维/聚丙烯复合材料的制备和力学性能研究

摘要

天然纤维复合材料的开发可以带动和促进相关行业的发展，并且有利于环境保护和资源再利用。棕榈纤维的特殊结构赋予了纤维优良的性能，可直接加入到聚丙烯基质中制备复合材料，这不仅能降低材料的成本而且对提高材料的力学性能非常有利。因此，开发棕榈纤维增强复合材料，能为棕榈的传统应用开辟出一条新的道路，对充分利用我国丰富的棕榈纤维资源优势具有重大意义。
　　 本课题研究的具体内容包括：复合材料制备、棕榈纤维表面改性、棕榈纤维的含量、排列和改性对复合材料性能的影响五个方面。
　　 1.棕榈纤维/聚丙烯复合材料的制备
　　 将长度为15cm，重量含量为6％的棕榈纤维，呈0°平行等距排列于上下3层聚丙烯薄膜之间，热压成型制备复合材料。为考察热压工艺参数对复合材料力学性能的影响，将热压时间、温度、压强作为因素，进行正交实验。选择拉伸强度、弹性模量、撕裂强度作为实验测试评价指标，分析得出复合材料热压成型的最佳工艺参数：10min、160℃、1.5MPa。
　　 2.棕榈纤维表面改性
　　 先用不同浓度(0％、5％、10％、15％、20％)NaOH溶液浸泡棕榈纤维，再用硅烷偶联剂KH570对棕榈纤维进行表面处理。通过测试纤维的红外特征光谱、SEM图像、热稳定性、机械性能、细度和吸湿性分析改性效果。结果表明：碱处理和硅烷交联确实对棕榈纤维结构和性质的改变起到了作用，随着碱处理溶液浓度的不断升高，棕榈纤维表面剥蚀的程度越深，纤维的直径不断减小，纤维的吸湿性不断减弱，纤维的机械性能出现小幅变化，当碱溶液浓度为15％时，棕榈纤维的热稳定性最佳。
　　 3.棕榈纤维的含量、排列和改性对复合材料性能
　　 研究未处理的棕榈纤维含量(3％、6％、9％)对复合材料的影响。棕榈纤维增强聚丙烯试样的强度比未增强的聚丙烯有明显提高。纤维含量为6％时，复合材料的拉伸强度和撕裂强度最大。随着纤维含量的递增，复合材料的弹性模量不断升高，延性和韧性不断降低。
　　 研究纤维含量相同条件下，三种未处理的棕榈纤维排列方式(0°、0°/90°、±60°)对复合材料的影响。拉伸强度和弹性模量是±60°试样1方向最大，撕裂强度为±60°试样2方向最大，延性和韧性是0°/90°试样1方向最好。
　　 研究纤维含量相同条件下，不同纤维改性方法对复合材料的影响。改性棕榈纤维增强聚丙烯试样的拉伸和撕裂强度比未改性的有所提高，随着棕榈纤维碱处理溶液浓度的增大，试样的拉伸强度、撕裂强度以及弹性模量不断提高，试样的延性和韧性不断降低。