聚丙烯復合材料性能測試和分析10000字

目錄聚丙烯復合材料性能測試和分析 1 1(1)聚丙烯的光引發(fā)接枝反應 1(2)麻纖維/聚丙烯復合材料的制備 2(3)麻纖維/聚丙烯復合材料的性能分析 2 2 21.2課題的來源與選題依據(jù) 21.2.4(1)紫外光簡介及應用 61.3實驗的影響因素 61.4課題的理論依據(jù) 61.5課題的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 71.6課題的意義和目的 8第二章實驗部分 82.1實驗原材料 82.2實驗儀器 82.3實驗內(nèi)容 9 113.1接枝前后的紅外光譜對比分析 3.2界面劑含量對復合材料力學性能的影響 3.3界面劑對復合材料結(jié)晶行為的影響 3.4界面劑對復合材料維卡軟化溫度的影響 3.5界面劑對復合材料吸水性能的影響 結(jié)論與展望 聚丙烯是一種應用廣泛的大品種通用塑料，傳統(tǒng)聚丙烯復合材料通常以無機粉體、碳纖維和玻璃纖維等為增強體，而天然植物纖維增強聚丙烯復合材料以植物纖維為增強體，這為聚丙烯復合材料的應用開辟了新的途徑。天然植物纖維具有來源豐富、價格低廉、可再生、可降解等優(yōu)點6,但存在性能不均一、易吸濕以及與基體樹脂相容性差等缺點，在聚丙烯復合材料中的應用受到制約。本文采用紫外光輻照的方法，制備此次用以作為界面劑的聚丙烯產(chǎn)物，再以麻纖維為增強相，聚丙烯(PP)塑料為熱塑性聚合物基體，制備麻纖維/聚丙烯復合材料的性能測試和分析。將一定劑量的光引發(fā)劑占噸酮溶于少量乙醇，再將一定量的KH570、PP倒入燒杯，用玻璃棒攪拌均勻。然后再將其全部置入大反應器中，使用真空泵對其反應器置入恒溫水浴鍋，并將溫度設(shè)定為60℃。最后將大反應器及水浴鍋一并置入紫外線固化箱中，并以400W的功率和進行2h的照射。(2)麻纖維/聚丙烯復合材料的制備分別稱取定量的麻纖維、粒狀PP界面劑、粉狀PP界面劑和粒狀PP基體(保證每份樣品的質(zhì)量總和為30g),并將其均勻混合，平均分次置入轉(zhuǎn)矩流變儀，(3)麻纖維/聚丙烯復合材料的性能分析麻纖維/聚丙烯復合材料的力學性能，增加了基體結(jié)晶溫度時的粘度，從而提高第一章文獻綜述1.1引言和研究的熱點之一[1-3。NVF增強PP復合材料是利用天然可再生植物纖維材料，自然界中每年生長的纖維素(以NVF的形式存在)總量多達千億噸，遠熱點[4-5。以NVF增強PP樹脂復合材料替代木材或玻璃纖維材料是日前天然植物1.2課題的來源與選題依據(jù)聚丙烯(PolyPropylene,PP),是由丙烯聚合而制得的一種半結(jié)晶性熱塑性等缺點限制了普通聚丙烯在各個領(lǐng)域中進一步的應用。故對聚丙烯的改性，研究聚丙烯復合材料十分必要。植物主要是由纖維細胞和其它部分雜細胞利用胞間層的物質(zhì)相互連接組成的，植物纖維是指使用不同的物理、化學、生物方法去除雜細胞后剩余的纖維細胞。作為植物光合作用的產(chǎn)物，植物纖維是廣泛存在于木本和草本植物中的一種厚壁組織，其細胞細長，兩端尖銳，具有中空結(jié)構(gòu)和較厚的次生壁，壁上常有單紋孔，成熟時一般沒有活的原生質(zhì)體，在植物體中主要起機械支撐作用，同時兼具吸收和轉(zhuǎn)移水分和營養(yǎng)物質(zhì)，抵御外部非生物脅迫和生物攻擊的作用。玻璃纖維增強是指以聚丙烯為主體，玻璃纖維作為增強相，通過某種方式使它們相互混合制成的復合材料，以達到強化聚丙烯某些物理性能。通過對加入增容劑馬來酸酐接枝聚丙烯(PPg-MAH)或聚丙烯接枝馬來酸酐與乙烯/辛烯共聚物(PP-g-POE-MAH)的含量，擠出工藝，玻纖長度等因素的研究討論8-91,結(jié)果表明，PP-gMAH或PP-g-POE-MAH的加入都能使玻纖維增強聚丙烯復合材料的機械性能得到顯著提高；提高擠出溫度可使其拉伸強度和懸臂梁缺口沖擊強度均提高1.5倍左右；連續(xù)玻纖增強聚丙烯復合材料的力學性能遠大于短玻纖增強聚丙烯復合材料。在石化資源匱乏的如今，對天然資源的研究利用開發(fā)環(huán)境友好型產(chǎn)品已成為當前世界關(guān)注的熱點之一，而現(xiàn)在被廣泛應用的聚丙烯在它眾多優(yōu)點的背后還有著難降解，易被氧化，不易接合等缺點。故通過物理或化學方法將NVF進行改性再與PP復合制得天然植物纖維增強聚丙烯復合材料，其性能將優(yōu)于單純的聚丙烯材料[101、沈鈺程等[11以四種不同的天然纖維(蔗渣、松木、稻草、稻殼)作為增強劑，用聚丙烯作為熱塑性聚合物基體，添加馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)作為偶聯(lián)劑，SEBS作為增韌劑，對復合材料性能進行研究，結(jié)果表明，天然纖維增強聚丙烯復合材料的靜態(tài)力學強度除抗拉強度外均有所提高，隨溫度提高，復合材料的儲能模量降低，吸水性提高，添加MAPP和SEBS后吸水性有所下降但耐水性有所上升等。聚丙烯材料的耐熱性較差，在稍高一點的溫度就會影響其正常的工作。采用無機材料如陶土、炭黑、碳酸鈣、石膏、云母粉、赤泥、硅灰石、硫酸鋇等物質(zhì)進行填充制成的復合材料可提高其耐熱性，同時會對其力學性能有一定提高，大聚丙烯/蒙脫土納米復合材料是將PP-gMAH、PP和蒙脫土進行共混后熔融擠出制得，產(chǎn)品經(jīng)檢測表明其力學性能較純PP有所提高。與此同時以硼硅酸鹽質(zhì)中空微球體進行填充可制得具有隔熱等功能以及強度高、加工性能好的輕質(zhì)復普通聚丙烯材料因其自身的缺點無法滿足如今眾多產(chǎn)品對于材料的要求，這就使聚丙烯復合材料的研究有著十分廣闊的前景。有人就以六鈦酸鉀晶須作為填料制作復合包裝材料[14],還有人以聚丙烯為主體制成塑鋼纖維[15],該材料具備鋼筋、鋼纖維的外型、功能，同時又有合成軟纖維的優(yōu)點?？捎脕硖娲鷤鹘y(tǒng)鋼筋網(wǎng)、鋼纖維，而建設(shè)成本更加經(jīng)濟。隨著人們對PP的深入研究，更多的性能更優(yōu)異的復合材料將會被制作出來，給人們帶來的好處也會越來越多。植物纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，三者含量為50%~95%,因材種而異，還含有少量其他組分，如表1-1所示。在纖維的所有組分中，木質(zhì)素是高度支化的聚合物，木質(zhì)素與半纖維素一起作為固定纖維素的基質(zhì)。纖維素的基本結(jié)構(gòu)為細長桿狀，沿纖維長度方向排列。半纖維素具有較低的分子量，表現(xiàn)為塑化基質(zhì)。纖維素強度大、結(jié)晶性好、穩(wěn)定性好，而半纖維素為非晶態(tài)，結(jié)構(gòu)隨機，應力小，易水解。木質(zhì)素和纖維素、半纖維素通過化學鍵結(jié)合成的結(jié)構(gòu)稱為木質(zhì)素-碳水化合物復合體(LCC),影響著植物纖維的性能、結(jié)構(gòu)和形態(tài)。植物纖維細胞之間的結(jié)構(gòu)稱為胞間層，主要由木質(zhì)素、半纖維素和少量的果膠質(zhì)構(gòu)成，在木材木質(zhì)部等木質(zhì)化嚴重的部位，胞間層木質(zhì)素含量特別高。如圖1-1所示，纖維初生壁的厚度一般在0.1μm左右，主要成分為木質(zhì)素、半纖維素和果膠質(zhì)。次生細胞壁是纖維細胞的主體，通常分為三層(S1、S2和S3),如圖1,厚度為5~10μm左右，以S2層為主體，約占細胞壁的80%,與初生細胞壁一樣，次生細胞壁也由纖維素和各種半纖維素組成，但由于疏水多酚木質(zhì)素的存在，次生細胞壁的含水量較低。次生細胞壁具有高軸向剛度、抗倒塌和抗爆裂能力，對纖維的形狀和性能有著重要的影響。在次生細胞壁中，16個纖維素大分子通過氫鍵連接成微纖絲，然后微纖絲依靠木質(zhì)素和半纖維素通過化學鍵結(jié)合形成一定的長度和厚度，微纖絲的角度隨品種、成熟度、細胞壁位置和生長速度的不同而變化。與初生細胞壁相鄰的是一層稱為S1層，它具有大角度的橫向微纖絲，S1層作為加強層，防止細胞過度的徑向膨脹和旋轉(zhuǎn)。中間S2層的微纖絲角(微纖絲與纖維軸的夾角)最小，纖維素含量最高，對纖維剛度有決定性作用，由于S2層的微纖絲角排列整齊，纖維在應力作用下會輕微旋轉(zhuǎn)，而木質(zhì)素的橡膠性質(zhì)可以使這種應力能量耗散。內(nèi)部S3層也有橫向定向的微纖絲，在靜電力的作纖維素由D-吡喃式葡萄糖基經(jīng)1,4-β苷鍵連接而成的線性高體結(jié)構(gòu)的芳香族高分子化合物，是填充在胞間層及微細纖維之間的“粘合劑”和“填充劑”。[ofligninand圖1植物纖維的結(jié)構(gòu)[17]植物纖維作為自然界儲量最多的可持續(xù)發(fā)展資源，具有生物相容性好、可降解、可再生等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的陶瓷、金屬材料相比，植物纖維長徑強度大、無磨蝕性、高電阻、可回收、可加工、隔音性能良好、成本低，在功能材料、室內(nèi)裝潢、建筑材料、化工、食品、服裝、醫(yī)藥、組織工程、造紙、燃料乙醇、廢水處理等領(lǐng)域有重要的應用價值[17,18]1.2.4紫外交聯(lián)技術(shù)概述紫外光是電磁波的一種，其波長比可見光短，比X射線長，波長范圍在100~400nm之間。由于其能量強于可見光，且具有一定的能量輻照效應，同時又不屬于高能射線(如X射線和y射線),處理制品后不會使產(chǎn)品帶上放射性，線電纜等絕緣材料是應用比重最大的，已經(jīng)歷經(jīng)了40多年的歷史。經(jīng)輻射交聯(lián)的聚氯乙烯料在短期內(nèi)可以承受250℃的高溫。到20世紀90年代，世界各地生產(chǎn)的輻射交聯(lián)電線電纜的種類和規(guī)格累計已經(jīng)達到1900多種[39]。具有無溶劑污染，反應快等特點[40]。紫外交聯(lián)概念首次被提出是1956年G.0.3mm提高到3mm以上，其原因是二苯甲酮在受紫外光照射下，能奪取聚合物丙烯粉末紫外光接枝馬來酸酐來提高PP與增強纖維的界面強度，研究了馬來酸備高熔體強度聚丙烯進行了研究，通過加入光分解促進劑二苯甲酮(BP)和交1.3實驗的影響因素1.4課題的理論依據(jù)在紫外光與占噸酮的作用下，會引發(fā)聚丙烯主鏈上產(chǎn)生大量的叔碳如KH570,這是有效的偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑的加入，會捕捉到自由基1.5課題的國內(nèi)研究現(xiàn)狀沈鈺程1201以四種天然植物纖維(蔗渣、松木、稻草、稻殼)作為增強劑，以回收的聚丙烯(PP)塑料作為熱塑性聚合物基體，添加馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)作為偶聯(lián)劑，SEBS(聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯)作為增韌李正紅221研究了竹纖維增強聚丙烯復合材料的可有效地緩解我國森林資源貧乏、木材供應緊缺的矛盾。其應用范圍非常廣泛，新技術(shù)。研究和開發(fā)植物纖維復合材料的意義主要是這類材料具有人類親和性、第二章實驗部分占噸酮市售甲醇(分析純)天津市富宇精細化工有限公司KH570(分析純)南京能的德新材料技術(shù)有限公司儀器名稱儀器型號生產(chǎn)廠家紫外高壓汞燈北京暢拓科技有限公司冷阱QW220/石英材質(zhì)北京暢拓科技有限公司真空循環(huán)水泵鞏義市予華儀器有限公司索氏抽提器沈陽市華僑玻璃儀器廠掃描電子顯微鏡日本日立公司E上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司美國TA公司2.3實驗內(nèi)容將一定劑量的光引發(fā)劑占噸酮溶于少量乙醇，再將一定量的KH570、PP倒應器置入恒溫水浴鍋，并將溫度設(shè)定為60℃。最后將大反應器及水浴鍋一并置入紫外線固化箱中，并以400W的固定功率進行額定時間2h的照射。紫外輻照稱取11份12g剪碎的麻纖維，9g、6g、4.5g、3g、1.5g、0.75g(分別對應界面劑，分別將1份麻纖維、1份界面劑和適量基體(保證每份樣品的質(zhì)量總和擠出造粒注射成標準試樣性能測試圖3復合材料制備流程圖2.3.3紅外測試再將聚丙烯界面劑進行干燥，然后將平板硫化儀預熱到190℃,再取適量界面劑使用沖片機將不同界面劑含量的麻纖維/聚丙烯復合材料分別壓出5條I型樣將粉狀界面劑含量為10%的麻纖維/聚丙烯復合材料切成細小顆粒巧，稱取10℃的條件下加熱到200℃,保溫3min以消除熱歷史；然后在降溫速率為每分鐘10℃的條件下降溫至20℃,保溫3min;然后在升溫速率為每分鐘10℃的條件下加熱至200℃。分別將界面劑含量為10%的和不含界面劑的復合材料制成10mm×10mm×分別將界面劑含量為10%和不含界面劑的試樣進行稱重，精確至0.0001g,時間間隔為24h。24h后將試樣取出并再次進行稱重，精確至0.0圖中，紅線為反應前粒狀PP的紅外線譜圖，藍線為接枝后粒狀PP的紅外線譜圖。已知1728cm-1和1261cm1分別為酯類C=O伸縮振動和脂類C-O-C不對稱振動的特征峰；1087cm-1、800cm-1分別是Si-O-C的伸縮振動和Si-O-C的變形振動，這4個峰為KH570的特征峰。如圖所示，圖中藍線較紅線分別在枝結(jié)果中4個特征峰不夠明顯，但相較于以前的接枝結(jié)果比較理想，決定將其用為12g)。 00實驗現(xiàn)象：試驗結(jié)束后冷頸較易拔出圖中，藍線為反應前粒狀PP的紅外線譜圖，紅線為接枝后粒狀PP的紅外線808.91cm-1處多了峰。由此可以得出，本次接枝效果比較理想，可以將其用于混煉。雖然本次接枝結(jié)果中4個特征峰不夠明顯，但相較于以前的接枝結(jié)果比較理想，決定將其用于混煉。3.2界面劑含量對復合材料力學性能的影響本次復合材料配方中麻纖維的添加量均為40%(樣品總量為30g,麻纖維即界面劑含量(%)抗拉強度(MPa)斷裂伸長率(%)界面劑含量(%)抗拉強度(MPa)斷裂伸長率(%)3.3界面劑對復合材料結(jié)晶行為的影響向下放熱UhiversalW4.5ATAInstrume向下放熱溫度(°C)UniversalV4.5