无机纳米粒子改性木纤维UP复合材料的工艺配方设计文献综述

 2022-05-20 22:04:22

1研究目的及意义

不饱和聚酯(UP)树脂是化工原料的一种,常用于物体表面加厚、固化,因其可在室温常压下固化加工成型、工艺性能灵活等优点,作为近代塑料工业发展中的重要品种,在农业、交通、建筑、工业及国防工业方面有广泛的应用[1]。2015年,我国UP树脂产量、消费量已居世界首位、生产能力200万吨/年,产量逾100万吨/年。不饱和聚酯树脂所用的固化剂的品种与产量增长甚速;常用促进剂环烷酸钴(俗称“萘酸钴”)、异辛酸钴、无色促进剂(含环烷酸钴、含环烷酸钾、含环烷酸铜等)等三中,年产销量达1.5万吨。

我国UP树脂产业发展呈现四大特点:1.产能和产量大幅度增长,产品结构不断优化;2.功能填料增强的浇铸型UP树脂消耗量增长迅猛;3.复合材料风电叶片推动我国UP树脂的技术创新;4.UP树脂产业整合重组已初现端倪。

而UP树脂作为热固性树脂,固化后由于分子交联而性脆、机械性能差,因而在成型为制品前需要加入增强材料及添加剂进行改性。天然植物纤维木纤维由于具有生物降解性和可再生性、具有优异的比强度和比弹性模量,可作为增强体与基体UP树脂形成制造成本低、物理力学性能高的木纤维/UP复合材料[2]。而无机纳米粒子比表面积大、不饱和性高、纳米尺寸效应突出,且近年来制备技术发展迅速,可作为添加剂加入木纤维/UP复合材料,提高其力学性能。

2木纤维/UP复合材料改性的研究现状

研究者们通过使用不同种类的木纤维、对木纤维进行预处理、改变木纤维的体积分数(含量)、对复合材料进行表面处理等方法实现对木纤维/UP复合材料性能的改善,具体如下。

胡忠勤等选择的纤维供体是桦木及回收纸浆,将这两种纤维用蒸馏水、硅烷偶联剂及乙醇三种不同的方法改性,而后与UP复合制成复合材料,并进行性能测试。结果表明:经硅烷偶联剂处理过的复合材料,其冲击强度(IS)随纤维用量的增多呈先升后降趋势,而经乙醇或蒸馏水处理过的复合材料的力学性能都是随着纤维用量的增多而减小。三种处理方式下,复合材料的拉伸强度(TS)均随纤维含量增加呈现先升后降趋势,弯曲性能则都是呈下降趋势[3]

MarCOs等选择从桉树树干部位的树皮组织提取桉树纤维,在流水冲洗、60℃烘箱干燥操作以后,与UP复合制成不同体积分数(0%、30%、40%、50%)的复合材料,研究其力学性能,及温度升高时TG/DTG(热重量分析)曲线的变化。结果表明:对于TG曲线而言,随着温度升高,四种体积分数的复合材料之间的差异不大;而对于DTG而言,随着温度的升高,体积分数为50%时峰值最大,0%时的峰值最小[4]

FarHan等考虑到天然纤维素增强的复合材料质脆、对水分敏感、强度有限等不足,提出将木纤维制成纳米级别的木纤维素纳米纤维(CNF)来加固UP,且该方法既不需要偶联剂也不需要进行表面预处理,只需进行浸料处理。他们选取的浸渍溶液是UP与丙酮的混合溶液,处理结束后制成CNF/UP复合材料,并对其进行了湿吸附、动态热分析、不同温度下的TS、断裂韧性等测定。数据显示:随着CNF含量的增多,复合材料的玻璃化温度(Tg)升高,当CNF的体积分数为45%时,未经浸渍处理的复合材料的TS是经过处理的1/3,未经处理的复合材料的断口韧性是经过处理的材料的一半[5]

刘静等提出通过运用不同浓度的碱处理、不同质量的偶联剂处理、接枝改性以及包覆处理四种方式来改进单纯油松木粉与UP相容性差、界面结合力低的问题,并对制成的复合材料进行拉伸、冲击性能测试。结果显示:于碱处理,当氢氧化钠的浓度为5%时,复合材料的TS和IS提高量最大,分别为6.4%和49.6%;于偶联剂处理,当偶联剂KH-550与木粉质量相同时其TS、IS提高最大,分别为4.9%和50%;于接枝改性,随着CE4 浓度的升高,接枝率也随之升高,峰值出现在CE4 浓度为0.008mol/L时;于包覆处理,随着甲基丙烯酸甲酯(MMA)浓度的增加,复合材料的拉伸性能呈先增后减的变化趋势,当MMA的浓度为0.05%时,TS达最大增量17.4%[6]

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