TDI改性苧麻纖維增強聚乙烯復合材料的力學性能

1、TDI改性苧麻纖維增強聚乙烯復合材料的力學性能 一、目的:纖維增強聚合物復合材料是從20世紀初開始發(fā)展起來的，因其比強度和比模量較大，發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在廣泛用于各個領域。 近年來，人們對生態(tài)和資源保護愈來愈重視，環(huán)境友好型和完全可生物降解型綠色復合材料的研制成為研究的熱點之一。植物纖維來源豐富，價格低廉、易降解、無污染，是很有前景的復合材料原料，尤其是麻纖維以其獨特的性能特點引起了人們的關注。苧麻纖維的纖維素含量高、強度大、纖長度長，在麻類纖維中性能最為突出，屬于高性能的天然植物纖維。不僅具有高的強度和模量,同時具有纖維素質(zhì)硬、耐摩擦、耐腐蝕、耐水泡和分布廣泛等特點。麻纖維的主要成分為纖維素,

2、分子鏈上含有親水的羥基,與疏水性樹脂的相容性較差。從而界面粘結(jié)性能比較差。利用極性小分子 TDI 與苧麻纖維接枝反應，改變苧麻纖維間纖維相互作用力，實現(xiàn)苧麻纖維的連續(xù)化，得到高強度連續(xù)麻纖維又與基體材料有很好的界面相容性。從而，使得制備的復合材料具有較高的拉伸強度、模量、沖擊強度等優(yōu)異的力學性能。二、苧麻纖維復合材料的組份選用2.1增強體選用苧麻作為復合材料的增強體。主要原因：麻纖維是天然纖維中纖維長度最長，纖維的強度、結(jié)晶度、取向度、 拉伸強度和模量較高、纖維素質(zhì)硬、耐摩擦等優(yōu)點很適合做樹脂基復合材料的增強體。同時，麻纖維是復合材料的主要承力組分，能提高材料 的強度和模量，沖擊強度。2.2基

3、體 選用聚乙烯（PE）作基體我們現(xiàn)在用的樹脂基體可分為兩類：熱固性樹脂和熱塑性樹脂。熱固性樹脂主要有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、和酚醛樹脂，熱塑性樹脂主要有聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯等，聚乙烯的應用最為廣泛。基體樹脂的功能，就是把各種天然纖維增強材料有機地黏合在一起，起著傳遞載荷和均衡載荷的作用，并賦予優(yōu)良的性能，使它成為有使用價值的產(chǎn)品。2.3 改性劑2.3.1 改性劑選用：甲苯-2,4-二異氰酸酯(TDI)接枝有機聚合物長鏈是提高纖維和各種聚合物基體相容性最常用的方法之一， 接枝共聚物包括聚合物主鏈、 可與其他聚合物反應或相互作用的接枝官能團。甲苯-2,4-二異氰酸酯(TDI)，與苧麻纖維接枝

4、反應，改變麻纖維間纖維相互作用力，實現(xiàn)麻纖維的連續(xù)化，得到高強度連續(xù)麻纖維。同時也有了合成聚合物支鏈賦予的新性能，將會大大的改善其與PE間的界面相容性，而提高復合材料的性能。1.3.2 改性方法和改性機理： 目前常用的改性有：接枝改性處理、堿處理、熱處理法和酯化或醚化改性等等方法，用TDI去改性PE屬于接枝改性處理。極性小分子 TDI 與麻纖維接枝反應，改變麻纖維間纖維相互作用力，實現(xiàn)麻纖維的連續(xù)化，得到高強度連續(xù)麻纖維。苧麻纖維接枝改性處理機理： 麻纖維的主要成分為纖維素,分子鏈上含有大量的親水性基團（羥基），親水好，與PE相似性差。因此這兩者之間的界面相容性很差。苧麻纖維經(jīng)TDI（結(jié)構(gòu)式如

5、右圖）處理后，苧麻上的親水性基團（羥基）將會與異氰其反應，使親水性基團封閉（苧麻的親水性基團被封閉，處理后的苧麻纖維不僅保留了本身麻的性能，還有合成聚合物支鏈賦予的新性能，如耐磨性、 粘附性等等），以致于在制備復合材料時苧麻纖維與樹脂基體之間形成粘著鍵，從而增強了二者的界面粘結(jié)，提高復合材料的性能。三、復合材料性能測：3.1 采用掃描電鏡(SEM)、電子萬能拉伸試驗機等分析測試手段對復合材料力學性能和斷口進行了測試分析。 3.2 SEM斷口圖分析原則： (1) 如果斷口面比較平滑，則說明復合的力學性能比較差，發(fā)生的脆性斷裂，TDI改性苧麻纖維增強聚乙烯復合材料的拉伸強度和模量不高； (2) 如

6、果復合材料拉伸斷裂面的斷口面很不平滑，很毛糙，則說明復合材料斷裂時發(fā)生的是韌性斷裂，改性苧麻纖維增強聚乙烯復合材料有較高的拉伸強度和模量。四、預期結(jié)果：(1) 苧麻纖維經(jīng)過TDI接枝改性后,其復合材料界面性能明顯改善。(2) 接枝后苧麻和苧麻纖維/PE復合材料拉伸斷裂面的斷口面不平滑，很毛糙。(3) 接枝后苧麻和苧麻纖維/PE復合材料拉伸性能、沖擊強度和韌性等等力學性能明顯提高;六、 結(jié)束語 在科學技術(shù)日益發(fā)過、環(huán)境保護意識日益增強的今天， 麻纖維增強復合材料以其獨特的優(yōu)勢越來越受到人們關注， 它主要有以下特點是苧麻纖維密度小，比剛度和比強度較大、成型工藝性能好、材料性能可以設計、抗疲勞性能好 、減振性能好、熱穩(wěn)定性好。 不過苧麻纖維增強復合材料還存在一些問題， 如復合材料的界面性能通過物理和化學作用雖有所改善， 但其沖擊韌性有所下降，拉伸時的斷裂應變很?。辉僬?，我們的加工工藝多以注塑成型