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有机硅改性杨木纤维增强环氧树脂复合材料研究认领

被引量： 4

作者：

马红亮

学位授予单位：

中国林业科学研究院

摘要：

农林剩余物资源高效高值多元化利用及以可再生资源为原料制备复合材料是绿色材料领域的重要发展方向。天然植物纤维增强树脂基复合材料具有成本低、强重比高和环境友好等特点,受到国内外广泛关注并得到快速发展。但天然植物纤维存在易吸湿、与基体树脂界面相容性差等缺点,制约了其在复合材料中的应用。本研究以木材剩余物杨木枝桠材为原料经化机浆法制备杨木纤维（PWF）,并对其预处理活化,进一步以有机硅为改性试剂、乙醇-水溶液为分散介质,分别采用浸渍法和喷雾法对PWF表面改性,并与环氧树脂经热压成型制得杨木纤维增强环氧树脂复合材料。改性杨木纤维表面疏水性提高,与环氧树脂界面相容性得到改善,复合材料机械力学性能、热稳定性和耐水性能提高,为实现可再生农林剩余物资源的功能化高效全质利用并拓展木材纤维在绿色复合材料领域的应用提供新的途径。1.杨木纤维的制备及性能研究以杨木枝桠材为原料经化机浆法制得PWF,并对其进行预处理活化。分析表征了PWF的物理尺寸、主要化学组成、微观形貌、元素组成及活性羟基含量等理化性能。研究表明:（1）化机浆纤维的长径比低于机械浆纤维;随后续研磨程度提高,PWF的长度与直径减小、长径比增大;在不同脱水方法中溶剂置换处理的PWF长径比较高;（2）化机浆纤维的综纤维素含量高于机械浆纤维,木质素含量低于机械浆纤维;（3）化机浆纤维的羟值高于机械浆纤维,且溶剂置换处理有效降低了PWF在直接烘干状态下的团聚现象,所得PWF羟值达280 mg/g。2.长链有机硅烷改性杨木纤维的制备及性能研究以十六烷基三甲氧基硅烷（HDS）和十七氟癸基三甲氧基硅烷（FDS）为改性剂、乙醇-水溶液为分散介质,分别采用浸渍法和喷雾法对PWF表面改性。研究了溶剂配比、硅烷用量、硅烷水解温度和时间、反应温度及反应时间等因素对PWF表面改性效果的影响,并通过FT-IR、XRD、EDS、SEM及表面接触角测量等方法分析表征了改性前后PWF的结构与表面性能。研究表明:（1）在乙醇-水（质量比60:40）溶剂体系中,以HDS与PWF活性羟基物质的量的比0.4:1、HDS于60°C水解1 h后再与PWF于60°C反应1 h,所得改性纤维HPWF的表面接触角达139?;（2）在乙醇-水（质量比50:50）溶剂体系中,以FDS和PWF活性羟基物质的量的比0.16:1、FDS于60°C水解1 h后再与PWF于60°C反应1 h,所得改性纤维FPWF1的表面接触角达141?;（3）以FDS与PWF活性羟基物质的量的比0.008:1,经喷雾搅拌使纤维表面润湿后于120℃活化反应1.5 h,所得改性纤维FPWF2的表面接触角达138?;（4）与浸渍法相比,喷雾法具有硅烷用量小、工艺简单、清洁高效等特点;（5）改性后PWF的结晶度提高,表面变得粗糙,比表面积增加,表面极性降低,疏水性能显著提高。3.支链有机硅（氧）烷改性杨木纤维的制备及其性能研究在卡斯特催化剂作用下,由乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）与1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷（MDHM）经硅氢加成反应合成了1,1,1,3,5,5,5-七甲基-3-[2-（三甲氧基硅烷基）乙基]三硅氧烷（HTEO）,并采用FT-IR和1H NMR表征了化学结构。以VTMS、HTEO分别对PWF表面改性,并利用FT-IR、SEM、XRD、EDS及表面接触角测量等方法分析表征了改性前后PWF的结构与表面性能。研究表明:经VTMS和HTEO改性后,有机硅分子成功接枝到PWF表面,改性纤维的O/C值降低,Si含量明显增加,结晶度提高,表面变得粗糙,比表面积增加,表面极性降低,疏水性显著提高。4.杨木纤维增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究采用热压成型工艺制得PWF增强环氧树脂复合材料,通过力学性能测试、热重分析、吸水率测试及材料断面形貌分析,研究了复合材料的结构形态与性能,进而考察了杨木纤维与环氧树脂基体的界面相容性。研究表明:（1）溶剂置换处理PWF（长径比14.8）对复合材料增强效果分别最佳;（2）纤维含量60 wt.%的复合材料力学性能最佳,冲击强度、弯曲强度和弯曲模量分别比30 wt.%纤维含量的复合材料提高了49.2%、100.2%和98.6%;（3）经有机硅改性后,PWF与环氧树脂基体界面相容性得到明显改善,复合材料的力学性能显著提高,1 wt.%HTEO改性PWF的复合材料力学性能最佳,冲击强度、弯曲强度和弯曲模量分别达10.8 k J/m2、101.8 MPa和10126 MPa,较未改性复合材料分别提高了63.9%、100.3%和35.0%;（4）有机硅改性复合材料的耐水性和热稳定性提高。

摘要译文

关键词：

杨木纤维; 有机硅; 表面改性; 环氧树脂; 复合材料

学位年度：

2019

学位类型：

硕士

学科专业：

应用化学

导师：

孔振武

中图分类号：

TQ327[增强塑料、填充塑料⑨];TB332[非金属复合材料⑨]

学科分类号：

080501[材料学];081702[化学工艺];080505[复合材料];080509[能源材料]

D O I：

10.27625/d.cnki.gzlky.2019.000201