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剑麻纤维增强酚醛模塑料制备及性能研究

孙同甲  
【摘要】: 本文研究了剑麻纤维(SF)及剑麻-玻纤(GF)混杂纤维增强酚醛模塑料的制备工艺、结构形态及性能。考察了纤维表面处理方式、纤维长度及添加量、复配树脂体系等因素对酚醛模塑料性能的影响,分析了纤维增强原理及其断裂机理,为开发新型酚醛模塑料及其性能优化提供理论依据。 增强纤维的表面处理对于酚醛模塑料性能有着重要的影响。实验采用碱热法、硅烷偶联剂KH-550、等离子体三种方式处理SF表面,采用硅烷偶联剂KH-550及等离子体两种方式处理GF表面。结果表明,与未处理的SF、GF相比,碱热法、硅烷偶联剂KH-550、等离子体三种处理方式都能有效提高SF、GF对酚醛模塑料的增强效果。与GF及木粉填料增强体系相比,SF增强体系力学性能及耐热性能优于木粉填充体系,抗冲强度优于GF增强体系。 SF长度对酚醛模塑料的性能有着很大的影响,实验对比了采用2~4mm和4~6mm两种规格的SF增强酚醛模塑料。结果发现较长SF增强酚醛模塑料在力学性能和耐热性能上优于较短SF增强酚醛模塑料,但在电绝缘性能和吸湿性指标上差于较短SF增强酚醛模塑料。此外,采用较长SF增强酚醛模塑料还会带来制备工艺复杂化、模压成型材料表面形貌粗糙、模塑料蓬松不适宜注塑成型等缺陷。 在SF增强酚醛模塑料体系中,采用碱热法处理的SF取代部分木粉增强传统的novolac体系制备酚醛模塑料。实验结果表明,随着SF用量的增加,复合材料的弯曲强度、缺口冲击强度呈现先增后减的趋势,分别在20 wt%及25 wt%用量时达到最大值93.53 MPa、4.00 kJ·m~(-2);耐热性及吸水百分比随着SF用量的增加而逐步增加;电气强度在加入SF后有了较大的提升,随着SF用量的增加,电气强度总体上呈现微小的上升趋势。 在SF增强novolac、resole复配树脂(blend)体系中,采用偶联剂处理的SF增强blend体系取代传统的novolac体系,考察了固化体系及blend配比对酚醛模塑料性能及结构形态的影响。实验结果表明,固化体系对酚醛模塑料性能有较大影响。在不添加固化剂的情况下,不同blend配比对复合材料的弯曲强度和热变形温度影响较小,缺口冲击强度、体积电阻率以及吸水百分比则呈现较大变化。加入固化剂后,复合材料的各项性能都有所增强。在blend体系中,随着resole树脂用量的增加,复合材料的弯曲强度、冲击强度以及热变形温度基本呈现先增后减的趋势,在blend质量配比1∶1附近出现最大值;体积电阻率总体呈现上升趋势;吸水百分比则呈现先降后升的趋势,在blend质量配比1∶1处出现最低值。SEM观察结果显示,在resole体系和blend体系中,SF和树脂基体间具有良好的界面粘附效果;novolae体系中,SF和树脂基体间的界面粘附效果则较差。 在SF-GF混杂增强酚醛模塑料体系中,采用偶联剂处理的SF和GF增强传统的novolac体系制备复合材料。实验结果表明,随着SF-GF混杂配比的增加,复合材料的弯曲强度、热变形温度、体积电阻率呈现下降趋势;冲击强度和吸水百分比呈现上升趋势;在流变性能上,混杂纤维呈现正的混杂效应。SEM观察结果表明GF增强复合材料呈现刚性断裂,SF增强复合材料呈现韧性断裂,在SF-GF混杂增强体系(混杂质量比为1∶1)中,混杂纤维交错排布,分散均匀。 在SF-GF混杂增强blend树脂体系中,采用偶联剂处理SF、GF,考察纤维混杂配比对复合材料性能的影响。实验结果表明,随着SF-GF混杂配比的增加,复合材料的弯曲强度、热变形温度、体积电阻率呈现下降趋势,冲击强度和吸水百分比则呈现上升趋势。


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