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木纤维增强木质素/环氧树脂复合材料的制备与性能

孙成军  
【摘要】:本文首先分别对木质素/环氧树脂、环氧树脂/聚酰胺、木质素/环氧树脂/聚酰胺三种体系的固化反应进行研究,通过分析活化能的变化趋势解析体系的固化反应历程及木质素在固化反应中所起的作用。环氧树脂与聚酰胺的固化反应分为两个较明显的阶段,低温区反应约在200℃以下,主要为环氧基与氨基的开环反应,其固化反应活化能为62.1-86.2 kJ/mol,平均值为69.0 kJ/mol (0.2a 0.8);高温区反应温度区间约在200℃以上,主要为羟基的缩聚或环氧树脂的自聚反应,其反应活化能大于169.1 kJ/mol(a 0.8)。木质素与环氧树脂的固化反应是多级反应。在反应初期木质素中的羟基(酚羟基、醇羟基)在较低温度下与环氧基团发生开环反应,反应活化能约为92.0-110.0 kJ/mol;然后体系中的羟基以及未反应的环氧基团在较高温度下发生缩聚或醚化反应,最终固化,其反应活化能约为110.0-121.0 kJ/mol。对于木质素/环氧树脂/聚酰胺三元混合体系,初期木质素中酚羟基的存在可能对氨基与环氧基的开环反应起到催化的作用,从而降低了环氧树脂/聚酰胺体系的活化能,其活化能的平均值为65.4 kJ/mol (0.2a0.8),与环氧树脂/聚酰胺体系相比,降低了3.6 kJ/mol。木质素存在下,树脂体系在固化过程中的缩聚阶段的反应更容易进行。木质素在与环氧树脂复合时不仅仅是物理混合,也能形成共价键键接。本文以聚酰胺为固化剂,采用木粉为增强体,增强木质素/环氧树脂复合材料,改善复合材料的力学性能、热性能、吸水性以及蠕变性能。随着木粉含量的增加,木粉在树脂体系中的分布趋于密集,但并未发现明显的木粉团聚现象。木粉与木质素、木粉与树脂基体及木质素与树脂基体等不同组分间的相容性较好。复合材料的弯曲强度和冲击强度均随木粉添加量的增多而增大。随着木粉含量的增加,复合材料的储能模量得到提高,玻璃化转变温度则逐渐降低。随木粉含量的增加,复合材料的热稳定性逐渐降低,当木质素完全被木粉替代后材料的热稳定性略有提高。复合材料的吸水率随木粉含量的增加而逐渐增大。增强体木粉的粒径对复合材料的性能也有较明显的影响。随着木粉粒径的减小,木粉在树脂体系中的分布更均匀,组分间仍然具有较好的相容性,不同粒径增强的复合材料的断面形貌显示材料的破坏形式相同。复合材料的弯曲强度以及冲击强度均随木粉粒径的减小,先增大,后下降,粒径适中的木粉增强的复合材料具有较好的力学性能。随木粉粒径的减小,复合材料在常温下的储能模量先上升后下降,玻璃化转变温度逐渐升高。随木粉粒径的减小,复合材料的热稳定性逐渐提高,吸水性则逐渐减弱。木粉的添加能较大程度地提高材料的抗蠕变性能,使材料在外力作用下抵抗变形的能力提高。随木粉含量的提高,材料抗蠕变性能逐渐增强,这得益于木粉的增强作用。粒径适中(40-60目)的木粉增强的复合材料具有较好的抗蠕变性能。


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