酚醛樹脂共聚改性竹纖維復(fù)合材料的制備及其碳化行為

1、酚醛樹脂共聚改性竹纖維復(fù)合材料的制備及其碳化行為隨著石油資源的短缺和環(huán)境問題日益突出, 天然纖維的高值化和生態(tài)化應(yīng)用研究越來越受到人們的重視。天然竹材的力學(xué)性能優(yōu)越, 其抗張強度比其他天然材料(除了麻)高。竹材生長迅速、成材快、產(chǎn)量高, 且具有抗菌、抑菌、抗紫外、透氣性好等特性。因此, 竹材比其他木質(zhì)材料更適合于作為復(fù)合材料的增強相或生物基碳材料。但是, 天然植物纖維的親水性和極性使其與非極性的塑料基料間的相容性和界面粘結(jié)性較差。另外, 在加工、貯存和使用過程中, 吸濕溶脹變形導(dǎo)致其力學(xué)性能和熱性能下降。因此, 提高天然植物纖維在應(yīng)用中的環(huán)境穩(wěn)定性成為制備高性能生物基材料的關(guān)鍵。采用化學(xué)改性方

2、法, 如馬來酸酐改性、硅烷偶聯(lián)劑等方法, 可提高木質(zhì)組分界面性能及其纖維增強材料的力學(xué)性能。但是, 由于改性界面單薄, 未經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)組分因水解流失而在表面形成空洞。將竹纖維在一定溫度下熱處理, 其吸濕、抗紫外吸收及其成型材料的厚度膨脹率大幅度降低。但是,熱處理也使木質(zhì)內(nèi)部組分降解, 并導(dǎo)致竹纖維基復(fù)合材料熱力學(xué)性能降低。為了在提高竹纖維耐濕和抗紫外老化性能的同時改善其熱力學(xué)性能, 本文在竹纖維表面接枝共聚低分子量酚醛樹脂(phenolicresin, PR)制備酚醛改性竹纖維復(fù)合材料。1 實驗方法酚醛樹脂改性竹纖維復(fù)合材料的制備實驗用原料與試劑: 竹纖維: 過 40 目(420 m孔徑)篩

3、網(wǎng)后, 再過200目(74 m孔徑)篩網(wǎng), 取40-200 目的竹纖維, 于 90電熱鼓風(fēng)烘箱中干燥 4 h,放入干燥器中備用。苯酚、甲醛和氫氧化鈉, 均為分析純。2 結(jié)果和討論酚醛樹脂共聚改性竹纖維隨著PR固體含量的增加, PR-BF 的吸膠量增加也越為顯著, 當(dāng) PR 的固體含量為25%時竹纖維的吸膠率達 %。這表明, 在超聲浸漬及熱處理條件下PR對BF具有較好的浸漬性能。另外, 實驗發(fā)現(xiàn), 在作為對比實驗的弱堿性溶液中超聲及熱處理BF后, 其BF的質(zhì)量損失率為5%-12%, 表明 BF 中易溶于弱堿性溶液的組分, 如半纖維素等多糖成分發(fā)生水解, 且隨著堿性的增強溶出物的量也增大。酚醛樹脂

4、共聚改性竹纖維的碳化行為PR、BF及不同酚醛樹脂固含量超聲及熱處理的PR-BF的TG和DTG曲線。由TG可以看出, 隨著制備 PR-BF 所用 PR 固體含量的增大, PR-BF的熱穩(wěn)定性呈現(xiàn)出一定的增強規(guī)律。本文合成的水性熱固型酚醛樹脂具有較高的殘?zhí)悸? 900時約達60%; 而未共聚改性的竹纖維,到 900時只剩下很少量約 6%的殘渣(主要是灰分)。酚醛樹脂共聚改性的竹纖維具有比BF高得多的熱穩(wěn)定性, 吸膠率為%的(5%)PR-BF的殘?zhí)悸室苍?4%以上, 遠遠高于未共聚改性的BF。特別是采用25%固含量的PR改性的BF的熱性能顯著提高, 其殘?zhí)悸矢哌_%。酚醛樹脂共聚改性竹纖維的碳化行為P

5、R-BF 的熱解是竹纖維和酚醛樹脂在一定溫度條件下官能團的斷裂、反應(yīng)和重組的過程。根據(jù)紅外光譜所檢測到的熱解過程中官能團變化的規(guī)律,分析PR-BF熱解中價鍵斷裂與重組, 從而推測碳化行為的機理。本文通過對(25%)PR-BF在不同溫度下熱處理產(chǎn)物的FTIR分析來進一步研究酚醛樹脂共聚改性后的BF的熱解機理。3 結(jié) 論1. 在超聲浸潤及熱處理條件下, 可制備具有較高吸膠率的酚醛樹脂改性竹纖維, 酚醛樹脂通過共聚反應(yīng)接枝到竹纖維表面。2. 改性后的酚醛樹脂共聚竹纖維的熱穩(wěn)定性和殘?zhí)柯曙@著提高, 使用25%固體含量的酚醛樹脂改性的竹纖維, 在900碳化的殘?zhí)悸蔬_到%; 改性后的酚醛樹脂共聚竹纖維, 在500-600的溫度區(qū)間具有比酚醛樹脂更好的熱穩(wěn)定性能。3. 酚醛共聚改性竹纖維在熱解的同時形成了新的苯環(huán)取代