王宏光[1]2016年在《亚麻纤维复合材料及其加固钢筋混凝土梁的抗剪性能研究》文中研究指明亚麻纤维具有比强度高、生长周期短、环境友好、来源广泛、价格低廉等优点,作为增强纤维材料用于土木工程结构中,可以降低土木工程建设对不可再生资源的消耗及对生态环境的破坏,对解决全球气候变暖、发展低碳建筑与城市、促进土木工程的可持续性发展具有重要的意义。但与碳纤维、玻璃纤维等相比,亚麻纤维的力学性能相对较低,仅为玻璃纤维的叁分之一到四分之一;同时,亚麻纤维表面含有大量的亲水性羟基,因而具有较大的吸水性,使得相应的亚麻纤维复合材料的湿热耐久性较差。鉴于此,本文首先研究利用多壁碳纳米管和纳米TiO_2等改性环氧树脂和亚麻纤维,以提高相应亚麻纤维复合材料的力学和界面性能;然后利用亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪性能,拓展亚麻纤维作为结构材料在土木工程领域中的应用。本文的研究成果将为植物纤维复合材料及其在土木工程领域中的应用奠定理论与设计基础,对发展绿色可持续的土木工程结构具有重要的科学意义和实用价值。本文的主要研究内容与成果如下:首先,利用多壁碳纳米管对环氧树脂进行改性,研究了多壁碳纳米管的掺量对环氧树脂力学性能和热性能的影响;基于分子动力学模型,研究了多壁碳纳米管与固化后环氧树脂的相互作用。结果表明,羟基化多壁碳纳米管能够提高环氧树脂的力学性能和热性能,多壁碳纳米管的最优掺量为1.0%,分子动力学模型准确地预测了改性环氧树脂的玻璃化转变温度;多壁碳纳米管表面的大量羟基能够与环氧树脂之间形成有效的粘结,充分发挥了碳纳米管的增强作用。其次,提出并研究了亚麻纤维表面接枝纳米TiO_2的改性方法,研究了纳米TiO_2的接枝含量对亚麻纤维单丝的力学性能及其与环氧树脂界面粘结性能的影响。在超声波作用下,纳米TiO_2通过硅烷偶联剂接枝到亚麻纤维表面,形成了-Ti-O-Si-和-Si-O-C-共价键结合。结果表明,表面接枝纳米TiO_2方法有效地改善了亚麻纤维单丝的力学性能及其与环氧树脂的界面粘结性能,纳米TiO_2的最优接枝含量为2.34%左右;表面接枝纳米TiO_2降低了亚麻纤维表面的缺陷程度,同时在亚麻纤维与环氧树脂之间形成了纳米增强环氧树脂复合材料层,充分发挥了纳米TiO_2的增强作用。第叁,基于环氧树脂和亚麻纤维的改性研究成果,利用多壁碳纳米管改性环氧树脂以及纳米TiO_2和多壁碳纳米管分别接枝改性亚麻纤维布,制备了相应的亚麻纤维复合材料,并研究了不同处理方法和制备工艺参数对复合材料力学和界面性能的影响。结果表明,两种处理方法均能不同程度的提高亚麻纤维复合材料的力学和界面性能,且亚麻纤维复合材料的性能与处理方法和制备工艺参数有密切的关系,如环氧树脂中多壁碳纳米管的最优掺量为1.0%、亚麻纤维布表面纳米TiO_2的最优接枝枝含量为2.34%、最优多壁碳纳米管接枝处理时间为6分钟;亚麻纤维的纳米接枝改性(如纳米TiO_2接枝)是制备高性能亚麻纤维复合材料的有效途径。第四,利用亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪性能,研究了亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的承载特性与破坏模式,提出了亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算公式。结果表明,亚麻纤维布加固后,钢筋混凝土梁的承载力与跨中极限挠度大幅度提高,且纳米TiO_2接枝改性亚麻纤维布的增强效果大于未改性的亚麻纤维布;加固后钢筋混凝土梁的抗剪承载力与亚麻纤维布的“配箍率”(Eftf)有良好的线性关系,且能够准确计算亚麻纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力。
孙占英[2]2010年在《天然纤维复合材料性能改善及性能预测》文中研究表明天然纤维增强热塑性复合材料由于具有低成本、低能耗、环境友好及可持续发展等一系列的优点得到了极大的关注,产品应用日益广泛,但尚有许多问题需要解决。本文以剑麻纤维为增强材料,聚丙烯为热塑性树脂基体,详细研究了天然纤维复合材料性能改善中的一些基本问题。为提高复合材料的性能,着重研究了叁种改善的途径：天然纤维的本质改性,纤维与树脂基体之间的反应性增容以及纤维与常规填料的混杂增强。借鉴木质材料生物矿化原理对天然纤维进行改性,探讨了纤维改性后力学性能的变化以及复合材料的力学性能,分析了纤维本质改性与硅烷溶液组合改性的机理,观察了改性前后纤维及复合材料断面情况。通过对纤维表面进行硅烷活化改性以及在基体之间添加功能性相容剂促进了纤维与树脂基体之间的化学反应,改善了复合材料中的界面粘结。考察了低成本的常规无机填料与剑麻纤维混杂增强对复合材料性能的影响,材料的模量得到了大幅提高。对复合材料中纤维的形态分布进行了量化,考察了不同混合工艺及纤维的表面处理对复合材料中纤维形态分布的影响,研究了纤维的形态分布对复合材料性能的影响。为了改善复合材料的界面结合,了解界面形成的过程以及制备高性能化的复合材料,详细研究了静态、动态条件下聚丙烯树脂对纤维的浸渍情况,采用热力学方法估算了自发浸润铺展情况,详细分析了毛细力在复合材料制备过程中的作用。着重研究了复合材料的冲击性能,详细探讨了纤维含量、基体树脂类型、相容剂类型对复合材料冲击性能的影响。考察了天然纤维性能的分散性,采用修正的Weibull分布模型确定了纤维在临界长度下的拉伸强度,并对复合材料的冲击性能进行了理论预测。基于单胞模型法与层合板理论提出了GMCL方法用于复合材料宏观性能的预测,深入考察了纤维体积分数、纤维截面形状、纤维分布形式、纤维尺寸随机、界面结合强弱等因素对复合材料各项宏观性能的影响。与企业结合进行了产品试制,就成型过程中出现的缺陷进行了分析,初步探讨了天然纤维复合材料在家电壳体方面的应用情况。本文在天然纤维的本质改性、纤维分布的定量描述、冲击性能的提高以及宏观性能的预测方面进行了创新性的研究工作,并取得了较好的研究成果。
许瑞[3]2002年在《麻纤维复合材料高性能化的研究》文中提出本文以苎麻、亚麻纤维为增强材料，线性低密度聚乙烯(LLDPE)为基体，研制了两种麻纤维层压复合材料，研究了麻织物表面处理、纤维含量、成型温度、成型压力等对该复合材料力学性能的影响，得到了性能较为优异的麻纤维复合材料，探讨了复合材料的增强机理。采用微波辐照和超声波技术，制备了麻纤维／尼龙氢键复合物，研究了氢键复合对麻纤维／LLDPE复合材料力学性能的影响。此外，制备了麻纤维与玻璃纤维混杂复合材料，研究了该混杂复合材料的力学性能、混杂效应以及湿热老化性能。实验结果表明通过对麻纤维预处理和采用微波、电子束辐照和超声波技术可使麻纤维／LLDPE复合材料的强度大幅度得到提高，为麻纤维复合材料如何通过简捷、高效途径使其高性能化提供了一个新的思路。 1．麻纤维素含有大量羟基，亲水性强，热稳定性较差，加工成型温度不宜过高。麻纤维复合材料的最佳成型温度为140℃，成型压力7.3MPa。 2．经碱液预处理后，苎麻／LLDPE层压复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量由未处理试样51.2MPa、23.1MPa、1.58GPa提高到102.6MPa、30.4MPa、1.66GPa；经硅烷偶联剂A-151预处理后，提高到91.1MPa、86.3MPa、6.79GPa。亚麻／LLDPE层压复合材料的拉伸强度由84.8MPa提高到96.9MPa(碱液预处理)、115.8MPa(硅烷偶联剂)。 3．经电子束辐照后，LLDPE分子链中引入含氧基团，苎麻／电子束辐照LLDPE复合材料的界面相容性提高，复合材料的屈服强度、杨氏模量从9.78MPa、432MPa提高到13.1MPa、633MPa。 4．经微波辐照或超声波处理后，苎麻纤维素氢键被削弱，与尼龙形成氢键复合物，增强了苎麻／尼龙／电子束辐照LLDPE复合材料体系的相容性，屈服强度、杨氏模量从9.68MPa、260MPa提高到15.7MPa、722MPa。 四J；【大学博士学位论文5．芒麻纤维与玻璃纤维的用量比为2：l时，芒麻／玻纤／LLDPE混杂复合材料 的拉伸强度和弹性模量由未加入玻纤时的引二 MPa、l．17 GPa提高到 117．7 MPa，4．85 GPa，弯曲强度和模量由 23．IMPa、l．58 GPa提高到 31．5 MPa。 3石5 GPa。
曲微微[4]2007年在《生物降解黄麻/PBS复合材料的制备与性能研究》文中提出随着社会的发展和人类观念的更新,人们的环保意识不断提高,对纤维增强复合材料的可降解性也提出了新的要求。采用环保价廉的天然纤维作为增强相、可降解材料作为基体相,开发具有优良性价比的完全可生物降解复合材料,对于解决当前的环境污染问题和可持续发展问题有着重要的意义。黄麻纤维价格低廉,比强度和比模量等力学性能较高,作为复合材料增强相具有潜在的工业应用价值。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)于20世纪90年代进入材料研究领域,并迅速成为可广泛推广应用的通用型完全生物降解塑料的研究热点。在此背景下,本文以黄麻短纤维为增强材料,以生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)为基体,采用模压成型技术制备完全生物降解的黄麻纤维增强PBS复合材料,讨论不同脱胶程度、纤维含量、表面处理对黄麻/PBS复合材料性能的影响,并检测黄麻/PBS复合材料的生物降解性。为了研究纤维脱胶程度对黄麻/PBS复合材料性能的影响,对黄麻原麻纤维(残胶率为14.37%)进行不同程度的碱煮,得到残胶率为4.73%和2.60%的半脱胶黄麻纤维,并分别以原麻纤维和上述两种半脱胶黄麻纤维为增强相制备复合材料。性能评价发现,与纯PBS相比,黄麻/PBS复合材料的强度和模量提高,伸长率和韧性下降。原麻纤维增强PBS复合材料的强度、模量与纯PBS相比提高不明显;而残胶率为4.73%和2.60%的黄麻纤维增强复合材料提高较大,叁者的伸长率和韧性差异不明显。黄麻纤维残胶率由4.73%降低为2.60%时,相应复合材料的强度和模量提高不大。对纤维含量分别为10%、20%和30%的复合材料进行性能比较发现,一定含量的黄麻纤维能够显着提高复合材料的力学性能。随着纤维含量增加,复合材料拉伸强度先增大后减小,并在10%时达到最大值,比纯PBS提高了30.1%;弯曲强度和模量都随纤维含量增加而递增,其中30%纤维含量复合材料的弯曲模量与纯PBS相比提高了近2倍;伸长率和韧性随纤维含量的增加而逐渐减小。通过拉伸、弯曲性能测试、红外分析和扫描电子显微镜观察,探讨碱处理和硅烷偶联剂KH-570处理对材料性能的影响。结果表明:碱处理和硅烷偶联剂KH-570处理均能够提高黄麻纤维的表面粗糙度,从而改善黄麻纤维与PBS树脂之间的界面粘结性能,提高黄麻/PBS复合材料的力学性能,其中弯曲模量提高十分显着,分别比未处理黄麻增强复合材料增大了59.4%和90.2%。此外研究结果还表明,硅烷偶联剂KH-570的处理效果比碱处理好。在土埋条件下测试黄麻/PBS复合材料的生物降解性能,并对降解过程中材料的表面形貌进行观察。结果表明,黄麻/PBS复合材料的降解速率比纯PBS有显着提高,纤维含量为10%时降解速率最快,降解30天时失重率达到8.69%;而当纤维含量在10%和30%之间时,降解速率随纤维含量增加而逐渐减小。纤维的表面处理对复合材料的降解性能无明显影响。表面形貌观察发现,降解后材料的表面凹凸不平,同时因降解产物溶解而在材料内部产生孔洞。
董景隆[5]2016年在《改性酚醛树脂/碳纤维复合材料的研究》文中提出本文通过腰果壳油和叁聚氰胺分别对酚醛树脂进行改性,并对改性树脂的韧性、固化性能和热稳定性能分别进行研究。再以改性酚醛树脂为基体,碳纤维为增强材料,通过热压成型制备改性树脂基碳纤维复合材料。通过对复合材料摩擦性能进行测试,从而来研究树脂基体的改性对其碳纤维复合材料摩擦性能的影响。结果表明,在腰果壳油改性酚醛树脂后,树脂结构中引入了柔性链结构,从而提高了树脂的韧性。通过对腰果壳油改性树脂进行DSC非等温测试以及动力学分析,发现腰果壳油的引入对树脂的固化起到一定的阻碍作用,这种阻碍作用会对其碳纤维复合材料的力学性能及摩擦性能都造成影响,通过DMA、冲击性能和摩擦性能测试可知,随着腰果壳油含量的增加,树脂浇注体的冲击强度及其碳纤维复合材料的摩擦系数稳定性都呈现先增长后降低的趋势,说明过多的腰果壳油会使复合材料的固化程度降低,从而使材料的性能受损。通过对叁聚氰胺改性酚醛树脂热稳定性能和热降解过程的研究,结果表明在结构中引入的氮杂环可以提高树脂的热分解温度和残炭率,随着叁聚氰胺含量的增加树脂的热稳定性能呈上升趋势。在对其碳纤维复合材料的摩擦磨损测试过程中可以发现,树脂基体的热稳定性能对复合材料在高温下的摩擦系数稳定性和磨损率有较大的影响,摩擦系数稳定性能和耐磨性能都会随着树脂基体热稳定性能的增强而提高。
叶伟[6]2011年在《几种天然生物纤维增强摩擦材料的制备与性能》文中提出本研究瞄准汽车摩擦制动材料的现状和发展趋势,考虑到黄麻纤维、竹纤维和羊毛纤维性能各有其优点,并兼顾到材料的性能和经济性,采用纤维表面改性方法,开发一种绿色、节能的天然生物纤维增强摩擦材料,为高性能汽车制动摩擦材料制品研制奠定技术基础。本文对黄麻纤维、竹纤维和羊毛的表面进行了改性处理。利用单因素试验设计方法,对天然生物纤维增强摩擦材料进行摩擦磨损试验,得到了摩擦材料的摩擦因数和磨损率的变化规律,并对摩擦材料的磨损形貌进行了观察分析。通过对黄麻纤维、竹纤维和羊毛纤维结构观察分析发现,黄麻纤维具有内层中空结构,可以减低摩擦材料表面的磨粒磨损。在抱合力的作用下,竹纤维集合体中纤维相互纠缠、粘结、钩挂而抱成一团,不易松散。羊毛纤维具有天然卷曲,整体外观为覆盖有鳞片状结构的圆柱体。这种特殊结构使得羊毛纤维可以和其他的填料充分混合。对天然生物纤维增强摩擦材料进行摩擦磨损试验。结果表明,在升温条件下,不同含量的黄麻纤维和羊毛纤维增强摩擦材料摩擦因数均高于无黄麻纤维和羊毛纤维增强摩擦材料的摩擦因数。不同含量的竹纤维增强摩擦材料摩擦因数均低于无竹纤维增强摩擦材料的摩擦因数。在降温条件下,黄麻纤维、竹纤维和羊毛纤维增强摩擦材料的摩擦因数是随着温度降低而呈下降趋势。在250℃左右,叁种纤维增强摩擦材料的摩擦因数均出现不同程度的波动,12wt.%黄麻纤维增强摩擦材料,12wt.%竹纤维,0wt.%和4wt.%的羊毛纤维增强摩擦材料的磨损率最大。对叁种天然生物增强摩擦材料的磨损率和摩擦因数进行对比,结果表明在350℃条件下,9wt.%黄麻纤维增强摩擦材料、3wt.%竹纤维增强摩擦材料和3wt.%羊毛纤维增强摩擦材料均具有相对较好的摩擦性能,3wt.%羊毛纤维增强摩擦材料的磨损率最低为0.4938331×10-7cm3N-1m-1。对上述叁种天然生物纤维增强摩擦材料的表面形貌和磨损机理进行了分析后发现,天然生物纤维增强摩擦材料的磨损形式主要是黏着磨损和磨粒磨损。在天然生物纤维增强摩擦材料的磨损表面存在着孔隙,表面孔隙使摩擦表面材料与空气中的氧气接触较多,碳质材料与氧气发生固-气相反应。孔隙越多,氧气分子越容易扩散进去,产生的磨粒更容易被氧化。同时减小了摩擦表面的磨粒数量,降低了磨损率。对盘式制动摩擦材料制动过程进行了温度场模拟分析。结果表明,汽车制动过程是将动能与势能转化为热能而耗散的过程,对偶件接触面的热应力分布不均,在滑动摩擦过程中,接触面相当于接受定热源作用,接触区温度逐渐上升,最高温度在接触面中线附近并向外扩展,温度从接触面向四周呈递减趋势,且温度梯度越来越小。而且接触压力分布和温度分布是相互耦合的。压力分布影响对偶件的温度分布,而对偶件的温度分布的局部特征又反过来影响到界面的压力分布。这是导致制动器的磨损以及产生摩擦噪声的主要原因。如果由于制动器的设计不合理,使得热应力无法均匀作用在摩擦块上,严重时很容易导致摩擦块磨损和断裂。
王建华[7]2005年在《麻纤维用于混凝土（砂浆）抗裂性能的研究》文中研究表明传统水泥混凝土在受到广泛应用的同时,也因其脆性大,抗拉、抗冲击性能差,易开裂等影响了它在工程方面的进一步应用。混凝土的耐久性与裂缝控制一直是混凝土界非常重要的研究方向。通过调查研究建筑工程中出现的混凝土开裂、渗漏问题,发现混凝土在非荷载作用下开裂主要是由混凝土的自收缩、干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、碳化收缩等各种收缩变形引起的。各种收缩变形迭加后,混凝土的限制收缩值超过极限拉伸率导致裂缝的产生。混凝土浇筑初期开裂主要是温度变形和自收缩引起,后期开裂则主要是因干缩所致。 近二十年来,国内外高度重视高性能混凝土的研究和开发。传统混凝土的设计主要考虑强度指标,忽视了混凝土的耐久性。工程实例表明,很多混凝土过早破坏的原因是因为耐久性差。然而,混凝土的开裂、渗漏是引起混凝土耐久性不良的最重要因素之一。 水泥基复合材料是水泥基材料高性能化的重要途径,是21世纪的主导材料之一,纤维增强是其核心。因此,选择合适的纤维并对其增强水泥基复合材料的规律及机理进行研究非常重要。 纤维增强混凝土由于可以有效改正传统水泥混凝土的缺陷,而在近几十年迅速发展起来。目前,国内外对纤维增强混凝土的机理都还没有定论,而且大多集中在聚丙烯上,对麻纤维研究较少。考虑到麻纤维资源丰富,成本低廉,而且环保,所以选用麻纤维作为传统混凝土的增强纤维有很实际的意义。 本文以麻纤维增强砂浆为基础进行研究,通过麻纤维对混凝土的抗裂以及自收缩性能影响的试验,研究了纤维的阻裂性能,并对工程中最为看重的裂缝问题进行了纤维抗裂试验;根据纤维本身的特性,研究了纤维的不同体积含量、纤维不同长度等条件下的增强情况。 试验表明,麻纤维的掺入大大改善了混凝土的抗裂性能并能有效减小混凝土的自收缩。抗开裂性能的砂浆对比试验显示出纤维的添加不仅可以减少裂缝长度,对细化裂缝也有明显作用。
赵永青[8]2012年在《植物纤维/聚烯烃复合材料体积拉伸制备加工技术研究》文中认为废弃植物纤维/聚合物复合材料作为一种低碳、环保型材料，其应用与发展不但可以缓解随着石油资源枯竭致使高分子材料的发展受到遏制的问题，而且为废弃植物资源综合利用提供了有效途径。废弃植物纤维粉体与聚合物共混的复合材料，由于粉体对聚合物只增量不增强，其应用与发展空间有限。利用废弃植物长短纤维与聚合物共混复合制备复合材料，则可在增量的同时对聚合物增强。然而长短植物纤维/聚合物复合材料的制备加工中还有许多技术问题需要解决，这促进了植物纤维的制备、复合材料的制备加工技术的迅速发展。废弃植物纤维增强体的短流程无污染制备技术、高性能植物纤维/聚合物复合材料高效低能耗加工等技术为废弃植物纤维/聚合物复合材料的应用与发展提供了强有力的手段。通过体积拉伸形变主导的叶片塑化输运技术解决了植物纤维和聚合物混炼加工难题，考察植物纤维/聚合物复合体系在体积拉伸流场中微结构生成与演化规律及其加工特性。研究表明，植物纤维在叶片单元内主要受物料沿轴向的进料流动和叶片单元容腔内沿周向拉伸流动的共同作用，但随着转子轴转动植物纤维所受进料流动或拉伸流动作用的程度有所差异，植物纤维在叶片单元内不同区域呈现出不同的取向分布状态；植物纤维/聚合物复合体系在体积拉伸塑化输运过程中体现出混炼混合和分布分散效果好、机械热历程短、物料适应性强、能耗低以及对植物纤维的低剪切、低损伤等独特的加工特性。利用连续性蒸汽爆破技术处理废弃药渣制备得到药渣纤维增强体，并采用多种先进测试分析手段对药渣纤维的物化性能进行表征。猴耳环药渣经蒸汽爆破处理后，纤维束被解离成许多更为细小的纤维；纤维的结晶度降低，长径比、比表面积增大；纤维表面的羟基数目增多，粗糙程度增大；纤维素含量明显增加，半纤维素含量显着降低，而木质素含量略有降低且有新结构的木质素生成。采用体积拉伸形变支配的叶片塑化输运技术制备得到高性能的药渣纤维/聚烯烃复合材料，并可通过改变加工工艺条件实现复合材料性能的调控，建立了药渣纤维/聚烯烃复合材料的宏观性能与加工工艺参数之间的对应关系。结果表明，药渣纤维含量、偶联剂含量、润滑剂含量、抗氧剂含量、蒸汽爆破处理次数、加工温度以及挤出转速等加工工艺条件对药渣纤维/聚烯烃复合材料力学性能有着显着的影响。本论文的研究在高分子复合材料制备、加工成型的理论方面取得了创新性研究成果，形成了全新的高分子复合材料制备加工技术，解决了传统成型加工方法不能胜任的许多关键技术问题，对促进高分子材料加工行业的可持续发展有着重要的科学意义和实际意义。
杨亚洲[9]2006年在《仿生哑铃型黄麻纤维增强摩擦材料》文中指出地面机械制动效率是农业机械化工程领域中的重要研究内容。本论文工作以提高地面机械制动系统的制动效率、节约能源和环境保护为目标,进行了哑铃型黄麻纤维摩擦材料的研制及性能行为研究。对黄麻纤维、棉纤维及羊毛纤维增强酚醛树脂基复合材料进行了力学性能测试,以此筛选出综合性能较好的天然纤维。利用有限元方法对哑铃型纤维、平直纤维增强复合材料的弹性应力场进行了分析,考察了纤维形态结构的变化对复合材料弹性应力场的影响。依据结构仿生理论,将黄麻纤维制作成哑铃型,并将不同长径比的哑铃型黄麻纤维、平直黄麻纤维作为摩擦材料的增强相,通过摩擦磨损试验探索了纤维形态、长径比对摩擦材料性能的影响。运用均匀设计方法确定摩擦材料优化配方试验方案,采用均匀设计软件对摩擦磨损性能和力学性能测试结果进行了数据处理,从而得到了优化配方。最后,对优化配方的摩擦材料的摩擦磨损、冲击强度、洛氏硬度及密度进行了系统考察。上述研究工作为新型摩擦材料的研发、设计和制备提供了一定的理论依据,也为材料仿生拓宽了应用领域。
李文军[10]2017年在《苎麻纤维/聚丙烯车用复合材料的制备及改性机理研究》文中研究说明近年来,由于人们对环境保护和节能减排的关注程度越来越高,汽车轻量化已经成为汽车工业可持续发展的一个必然趋势。研究表明,汽车轻量化材料是实现汽车轻量化的有效途径之一。因此,研发满足轻量化、环保、可回收和可重复利用等要求的绿色复合材料必将成为汽车工业发展的重要方向。天然纤维复合材料作为一种“绿色复合材料”,具有价格低廉、质量轻、比强度高、比刚度高、可再生、可降解、环境友好以及不危害人体健康等优点,是一种理想的汽车轻量化材料,在汽车工业领域得到了广泛的应用。为了进一步促进天然纤维复合材料在汽车工业中的应用,本文分别采用活性硅醇-氨基硅油,氨基硅油微乳液和高锰酸钾水溶液对天然苎麻纤维进行了表面改性,并制备了性能优异的车用天然纤维绿色复合材料。同时,采用分子动力学模拟探讨了天然纤维表面改性的微观机理,能够为今后天然纤维的表面改性提供有效的理论指导。本文的主要研究内容如下:(1)本研究首次针对天然苎麻纤维体系,研究开发了一种价格低廉,环境友好的天然苎麻纤维无氟表面疏水改性方法。研究结果表明:采用无氟疏水改性后,天然苎麻纤维表面形成了一个具有化学键结合,且表面能较低的粗糙微纳结构表面,从而提高了苎麻纤维的疏水耐污性、耐热性能。改性后,苎麻纤维表面接触角从0°提高到147.2°;苎麻纤维失重5%时的温度由97.3℃提高到322.6℃,失重10%时的温度由316.7℃提高到328.5℃。(2)基于高固含量氨基硅油微乳液改性,研制出了一种高性能改性苎麻纤维/聚丙烯车用绿色复合材料。对比研究表明:氨基硅油改性后复合材料的耐热性、纤维与聚合物基体的相容性以及力学性能等均得到显着改善。氨基硅油改性后,苎麻纤维/聚丙烯复合材料的耐热性得到显着改善,从而避免了复合材料在成型加工过程中的热氧化。同时,改性苎麻纤维/聚丙烯复合材料的拉伸强度,弯曲强度和冲击强度最大分别增加了 15.89%、7.04%和36.58%。(3)应用分子动力学理论方法,构建了氨基硅油改性前后天然纤维的表面模型。创新性地从原子和分子水平上研究了氨基硅油改性天然纤维的微观机理。微观机理为:氨基硅油分子中的氨基能够与天然纤维表面的羟基发生相互作用,形成-O-H---N和-N-H---O两种氢键,使氨基硅油分子紧密地吸附在天然纤维的表面,并在纤维表面发生分子取向。其中,氨基硅油分子链中含有氨基的部分均不同程度地向纤维表面靠近,并与其发生相互作用,而分子链中的烷基基团则翻转向上,即趋向于朝真空层的方向,天然纤维表面由亲水性转变为疏水性。此外,氨基硅油分子中的氨基含量会对氨基硅油膜的微观结构和性能产生影响。分子中氨基含量增加,氨基硅油的内聚能密度增加,自由体积孔隙减小,孔隙之间的距离增大,自由体积分数降低。氨基硅油自由体积的减小可以有效阻碍水分子在纤维表面的扩散,从而能够降低纤维的吸水率,并最终改善复合材料的综合性能。(4)通过实验和分子动力学模拟仿真研究,揭示了高锰酸钾水溶液改性对苎麻纤维以及苎麻纤维/聚丙烯复合材料结构和性能的影响规律。高锰酸钾水溶液改性后苎麻纤维/聚丙烯复合材料的力学性能得到显着改善,复合材料的拉伸强度,弯曲强度和冲击强度最大分别增加了 27.80%、15.71%和38.64%。同时,通过分析实验测试结果和分子动力学模拟结果可知,高锰酸钾水溶液改性能够使天然纤维/聚丙烯复合材料的性能得到改善的原因主要涉及叁个方面:首先,KMnO4表面改性后苎麻纤维表面明显变粗糙,从而增加了纤维与聚丙烯基体之间的有效接触面积,使苎麻纤维与聚丙烯基体界面之间的机械锁结强度增强。其次,KMnO4改性后天然纤维中纤维素分子的自由体积孔隙变小,自由体积分数降低了 9.69%。纤维素自由体积的变化有利于降低天然纤维的吸水率。最后,KMnO4改性后聚丙烯分子与纤维表面之间的弱范德华力得到增强,从而提高了天然纤维与聚合物基体之间的界面粘合强度,并最终改善了天然纤维/聚丙烯复合材料的力学性能。本文系统研究了天然苎麻纤维的改性方法与改性机理,并研制出了性能优异、环境友好、生产成本低的天然纤维增强聚丙烯绿色复合材料,从而能够为今后车用天然纤维复合材料的生产和成功应用提供了理论依据和良好的技术支撑。
参考文献：
[1]. 亚麻纤维复合材料及其加固钢筋混凝土梁的抗剪性能研究[D]. 王宏光. 哈尔滨工业大学. 2016
[2]. 天然纤维复合材料性能改善及性能预测[D]. 孙占英. 华东理工大学. 2010
[3]. 麻纤维复合材料高性能化的研究[D]. 许瑞. 四川大学. 2002
[4]. 生物降解黄麻/PBS复合材料的制备与性能研究[D]. 曲微微. 东华大学. 2007
[5]. 改性酚醛树脂/碳纤维复合材料的研究[D]. 董景隆. 长春工业大学. 2016
[6]. 几种天然生物纤维增强摩擦材料的制备与性能[D]. 叶伟. 吉林大学. 2011
[7]. 麻纤维用于混凝土（砂浆）抗裂性能的研究[D]. 王建华. 青岛大学. 2005
[8]. 植物纤维/聚烯烃复合材料体积拉伸制备加工技术研究[D]. 赵永青. 华南理工大学. 2012
[9]. 仿生哑铃型黄麻纤维增强摩擦材料[D]. 杨亚洲. 吉林大学. 2006
[10]. 苎麻纤维/聚丙烯车用复合材料的制备及改性机理研究[D]. 李文军. 湖南大学. 2017
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