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《浙江理工大学》 2019年
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蚕丝机织物增强聚乳酸复合材料的制备与力学性能研究

刘向东  
【摘要】:天然纤维增强复合材料因其具有良好的可再生和生物可降解等特性,已成为人们研究的热点。蚕丝是天然动物纤维的一种,以其为增强体制备的复合材料除了具有可再生、生物可降解等特性外,还具有良好的生物相容性、轻质和高应力应变性。国内外研究人员通常采用蚕丝纤维或蚕丝蛋白制备生物复合材料,而关于蚕丝机织物增强生物复合材料的制备与力学性能研究相对较少。本论文基于蚕丝纤维增强聚乳酸复合材料,以聚乳酸为基体,蚕丝平纹机织物为增强体,从不同碱用量脱胶、不同织物质量占比以及热压成型工艺参数三个方面进行工艺优化,选取最优复合条件。在此基础上,通过设计织造五种不同结构的蚕丝三维机织物,制备蚕丝三维机织物增强聚乳酸复合材料,研究三维机织物对复合材料力学性能的影响。研究能够为蚕丝织物增强复合材料的制备提供一定的实验参考,以期为蚕丝在复合材料的开发提供新的思路。主要研究内容与结论如下:(1)通过测试不同碱用量脱胶处理蚕丝织物增强复合材料的力学性能,并结合扫描电镜(SEM)选取最佳碱用量,利用热重分析(TG)研究脱胶处理对复合材料的热性能影响;研究表明:当碱用量的质量分数为1%,其复合材料拉伸性能和抗冲击性能最优良,分别达到48.58MPa和26.67kJ/m~2,相比于未脱胶蚕丝复合材料的拉伸性能和抗冲击性能分别增强了51.38%、84.70%,同时,通过扫描电镜(SEM)、热重分析(TG)测试表征,发现经过1%碱用量脱胶后,蚕丝纤维与聚乳酸基体结合更为紧密,界面结合性能得到大大的改善,并且发现经脱胶处理后复合材料的热性能得到提高。(2)借助三维视频显微镜和力学性能测试研究不同蚕丝织物质量占比对复合材料力学性能的影响;采用正交试验法,选用L9(3~4)正交表,对蚕丝织物增强聚乳酸复合材料的热压成型工艺进行优化设计。研究表明:当蚕丝织物在复合材料中质量占比为15%,其力学性能达到最高值51.85MPa和42.46kJ/m~2,并通过三维视频显微镜对复合材料截面形貌分析,发现织物质量占比为15%时,蚕丝织物与聚乳酸基体之间能够形成一定厚度的过渡层,有效提高蚕丝增强聚乳酸复合材料的力学性能。利用极差分析法,并结合复合材料表面和截面形貌分析,确定热压成型最优条件为:热压温度165°C,热压压力5MPa,热压时间为35min。(3)以低捻度蚕丝纱线为原料,在普通小样织机上织造了具有相同层数的三维正交结构、三维准正交结构、三维增强正交角联锁结构、带空口的对称接结角联锁和层间斜交角联锁结构的五种三维机织物,对五种蚕丝三维机织物进行拉伸性能测试,接着对比了蚕丝层合平纹机织物和五种不同三维机织物增强聚乳酸复合材料的力学性能。研究结果表明:三维机织物增强复合材料的力学性能都高于同等层数平纹层合复合材料,且三维机织物增强体结构对复合材料的力学性能有很大的影响,三维机织物中主受力方向纱线的交织排列状态和伸直状态影响三维机织物增强复合材料拉伸强度和抗冲击性能,其中三维正交结构机织物增强复合材料的拉伸强度最优,而带空口的对称接结角联锁复合材料的抗冲击性能最好。
【学位授予单位】:浙江理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB33

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