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环境友好植物纤维/热固性树脂复合材料的制备及改性

刘文地  
【摘要】:以植物纤维代替玻璃纤维开发植物纤维/不饱和聚酯(UPE)复合材料符合当前环境保护政策和可持续发展的理念,但纤维与树脂间的弱界面结合、UPE树脂中可致癌苯乙烯的释放及石油基资源的大量使用等问题仍限制其在工程材料中的应用。因此,本文采用环境友好的物理和化学方法对竹纤维表面进行改性以提高纤维与UPE树脂的界面结合;筛选高反应性石油基单体代替苯乙烯以制备大麻纤维/无苯乙烯UPE复合材料以解决UPE基复合材料中的苯乙烯释放问题;采用环氧大豆油丙烯酸酯(AESO)作为UPE的生物基替代物来制备大麻纤维/无苯乙烯AESO复合材料以减少石油资源的使用,并采用二异氰酸酯单体对该复合材料进行改性以同时提高树脂交联度和复合材料界面结合;最后,采用葡萄糖衍生多元醇合成生物基反应性溶剂以用作AESO的共聚单体,制备高生物基含量且性能优良的大豆油基热固性树脂,将其用于竹纤维和麻纤维复合材料的制备,并评估了树脂成分和纤维类型对复合材料性能的影响。通过对纤维表面特性、树脂化学流变行为和固化动力学、复合材料性能和界面特性等研究,得到如下结论:(1)采用水溶性单体,即N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)对四种商用竹纤维进行改性,并将改性后的纤维用于UPE复合材料的制备,结果表明:NMA可与竹纤维发生反应,但纤维形貌和化学成分显著影响四种竹纤维与NMA的反应程度;NMA改性赋予纤维表面不饱和官能团,使其可与UPE树脂产生化学键连接,改善竹纤维/UPE复合材料的界面结合,从而提高复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和耐水性,但复合材料性能的提高程度与纤维和NMA的反应程度及纤维本身的特性显著相关。(2)采用常温氧等离子体处理竹原纤维可清除纤维表面低分子物质,增加表面粗糙度,增加表面含氧宫能团含量,改善纤维与UPE树脂的界面结合,因此显著提高竹原纤维/UPE复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、储存模量和玻璃化转变温度(Tg)。(3)分别以高反应性的N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和三乙二醇二乙烯基醚(TDE)作为苯乙烯的替代物制备无苯乙烯UPE树脂和大麻纤维/无苯乙烯UPE复合材料。Hansen溶解性分析表明,NVP和TDE与UPE的混溶性高于苯乙烯与UPE的混溶性。NVP-UPE和TDE-UPE树脂的粘度和活化能显著低于苯乙烯-UPE树脂;与苯乙烯-UPE和TDE-UPE树脂相比,NVP-UPE树脂具有更低的固化温度。由于NVP的高反应活性,NVP-UPE复合材料具有与苯乙烯-UPE复合材料相当的拉伸强度、弯曲强度和储存模量;TDE-UPE复合材料则因TDE的柔顺性而具有更高的冲击强度,但其弯曲性能、储存模量和Tg均低于NVP-UPE和苯乙烯-UPE复合材料。由于UPE树脂中NVP和TDE分子与纤维的氢键或极性作用使NVP-UPE和TDE-UPE复合材料具有比苯乙烯-UPE复合材料更好的纤维/基体界面结合。(4)以NVP作为AESO的反应性溶剂,制备无苯乙烯AESO树脂和大麻纤维/无苯乙烯AESO复合材料,结果表明:由于NVP强极性基团的存在,NVP与AESO的混溶性略低于苯乙烯与AESO的混溶性;当反应性溶剂用量为30wt%时,NVP-AESO树脂的粘度和活化能稍高于苯乙烯-AESO树脂,但其最大固化温度显著低于纯AESO和苯乙烯基树脂;NVP-AESO树脂复合材料具有比苯乙烯基复合材料更高的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、储存模量和Tg以及更好的纤维/基体界面结合。(5)以异山梨醇和甲基丙烯酸酐(MAA)为原料,在超声波辅助、无溶剂条件下合成甲基丙烯酸异山梨醇酯(IM)作为AESO的共聚单体来制备高生物基含量的大豆油基热固性树脂(IM-AESO),采用MAA对IM-AESO树脂进行改性以提高树脂的不饱和度(IM-MAESO),并将所得树脂用于竹纤维和麻纤维复合材料的制备。结果表明:超声波辅助可有效促进异山梨醇与MAA的酯化反应;MAA浓度显著影响IM的合成速率和IM得率;IM合成体系中过量的MAA与AESO羟基发生酯化反应后可将甲基丙烯基接枝到AESO上,从而增加大豆油基树脂的不饱和度;反应性溶剂IM与AESO混合后可显著降低树脂粘度和活化能,增加IM和AESO间的固化效率;以IM为溶剂的IM-AESO和IM-MAESO树脂及其植物纤维复合材料具有优异的弯曲强度、弯曲模量、弯曲应变、储存模量和Tg;MAA改性AESO显著增加固化树脂及其复合材料的弯曲性能和热机械性能;大麻纤维增强的生物基树脂复合材料的动态力学性能和弯曲性能显著高于竹原纤维增强的复合材料。(6)采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)对大麻纤维/无苯乙烯AESO复合材料进行改性,结果表明:IPDI的异氰酸酯基可同时与大麻纤维和AESO的羟基发生反应,生成氨基甲酸酯结构;IPDI的加入显著降低AESO树脂的粘度和活化能,降低树脂的固化温度和反应热,提高聚合效率。由于IPDI在复合材料中的双重作用,即交联剂和偶联剂,IPDI改性显著提高大麻/AESO复合材料的拉伸性能、弯曲性能、储存模量和Tg,但不影响复合材料的冲击强度;IPDI改性显著改善复合材料的界面结合,且使基体断裂模式从韧性破坏向脆性断裂转变。


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