竹原纤维/不饱和聚酯复合材料的增强增韧研究

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为改善竹原纤维(BF)与不饱和聚酯(UPE)间的界面相容性,本文采用两种新型改性剂对BF表面进行化学改性:一是环氧大豆油丙烯酸酯(AESO)与1,6-己二异氰酸酯(DIH)的共聚物(AESO-DIH);二是1,2-环氧-4-乙烯基环己烷单体(EVC)。针对UPE树脂脆性高、耐冲击性能差的问题,本文将柔性长分子链单体乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯(AAEM)与UPE树脂共混,以提高UPE树脂的韧性。为探究改性前后BF表面化学成分变化,采用傅利叶红外光谱(FT-IR)、X射线电子能谱(XPS)和核磁共振(NMR)对纤维表面化学特性进行表征;采用模压成型工艺制备BF/UPE复合材料,探究纤维改性及树脂增韧对复合材料静态与动态力学性能和耐水性的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断面以分析其界面形貌。研究的主要结论如下:(1)采用AESO-DIH对竹原纤维进行表面改性后,BF/UPE复合材料的拉伸和弯曲性能显著提高。当改性剂用量为纤维质量的5%时,复合材料的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度较对照(纤维未处理)分别提高38.88%、29.06%和47.50%,此时复合材料的综合力学性能最佳。(2)采用EVC处理纤维表面,BF/UPE复合材料的拉伸和弯曲性能得到显著提高,但EVC用量较大会降低复合材料的冲击强度。当EVC的用量为3%时,复合材料的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度较对照分别提高23.76%、12.14%和18.95%。(3)AAEM与UPE树脂共混后,BF/UPE复合材料的冲击强度显著提高。与对照组(未处理)相比,当AAEM与UPE树脂的质量比为15:85时,复合材料的综合力学性能最佳,其拉伸强度和弯曲强度无显著变化,而冲击强度提高了 15.53%。(4)FT-IR分析表明:DIH的异氰酸酯基(-NCO)分别与AESO和纤维表面的羟基(-OH)反应生成氨基甲酸酯,从而将具有不饱和双键(C=C)的AESO通过DIH成功接枝到纤维表面。(5)XPS分析表明:AESO-DIH改性纤维的XPS谱图中出现N元素吸收峰,Cls结合形式中出现了 C-N和N-C=O两种新的结合形式,此外在纤维表面以O-C=O和C=O/O-C=O为结合形式的氧元素的相对含量有所增加,这些结果说明改性纤维表面具有氨基甲酸酯结构。EVC改性后纤维表面Cl(C-C/C-H)和O2(C-O-H/C-O-C)的相对含量均有所增加,说明EVC与纤维表面的羟基反应后生成了醚键(C-O-C),即EVC以共价键的形式成功接枝到纤维表面。(6)NMR分析表明:AESO-DIH改性纤维的NMR谱图中出现了由N-C=O和C-N引起的信号峰,同样表明AESO-DIH接枝到纤维表面。(7)DMA分析表明:BF经AESO-DIH改性后,BF/UPE复合材料的储能模量E’显著提高,并且由于AESO长分子链的作用增加了分子的柔顺性,有利于分散复合材料的界面能量,使损耗因子变大;EVC改性纤维提高了其UPE复合材料的储能模量E’和玻璃化转变温度Tg,但降低了复合材料的损耗因子;加入AAEM可显著提高复合材料的损耗因子,但轻微降低复合材料的刚性及热稳定性,这主要与柔性长分子AAEM的混入相关。(8)吸水测试表明:AESO-DIH和EVC改性纤维后,不仅降低了纤维表面的羟基数目,也使得纤维与UPE树脂基体之间的结合更加紧密,有效阻止了水分子渗入复合体系当中,从而使复合材料的耐水性得到大幅度提高。(9)SEM分析表明:AESO-DIH和EVC的加入显著改善了 BF/UPE复合材料中的纤维与基体间的界面相容性;混入适量的AAEM可改善复合材料的界面结合强度,这与AAEM单体上的极性基团与纤维表面形成极性-极性连接有关。
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