黄麻纤维表面纳米SiO2的聚电解质法制备及其增强聚丙烯复合材料机理研究

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黄麻纤维增强聚丙烯(PP)复合材料具有质轻、价廉、环境友好等特点。然而,由于黄麻纤维表面存在沟壑缺陷并且其与PP 之间的界面结合性能较差,使得黄麻纤维/PP 复合材料力学性能不高,从而限制了其应用领域。在黄麻纤维表面沉积纳米粒子层可显著改善界面结合效果,但是纳米粒子层的微观形貌难以控制。本文采用聚电解质法在黄麻纤维表面制备形貌可控的纳米SiO2粒子层以有效提升黄麻纤维与PP之间的界面结合强度。
  (1)分别对黄麻纤维进行了碱处理、酸/碱处理和羧甲基化处理,并对处理前后黄麻纤维的表面化学组成、微观形貌、结晶度、Zeta电位值以及极性进行了测试与分析。结果表明,三种处理均能有效去除黄麻纤维的表面胶质,增大纤维表面的粗糙度,提升黄麻纤维的结晶度并且不会破坏黄麻纤维的结构。与碱处理以及酸/碱处理相比,羧甲基化处理最能有效去除黄麻纤维表面胶质,并提升其表面的Zeta电位值。
  (2)采用聚电解质法在羧甲基化处理的黄麻纤维表面成功地沉积了纳米SiO2粒子,并通过控制变量法确定了最佳沉积工艺:纳米SiO2粒子分散液浓度为0.20%、水洗次数为5、PEI的pH值为9。在该沉积工艺下,当沉积次数达到4次时,纳米SiO2粒子可以均匀排列在黄麻纤维表面形成致密规整的纳米粒子层,从而较好填充纤维表面的细小沟壑,减少应力集中。通过测试分析表明,和未处理的黄麻纤维相比,经纳米 SiO2粒子沉积处理的黄麻纤维拉伸强度提升了21.40%,吸湿率降低了25.12%,表面能提升了66.50%,热稳定性能也得到显著提升。相较于常见的纳米粒子沉积方法,采用聚电解质法在黄麻纤维表面沉积纳米SiO2粒子更易实现黄麻纤维表面的纳米粒子层形貌可控,这有利于黄麻纤维均匀受力从而提升黄麻纤维的力学性能。
  (3)分别以未处理、羧甲基化处理以及表面沉积纳米SiO2粒子处理的黄麻纤维为增强材料,PP为基体材料,热压制备得到黄麻纤维/PP复合材料。对复合材料进行性能测试分析结果表明,表面沉积纳米SiO2粒子的黄麻纤维/PP复合材料和未处理的黄麻纤维/PP复合材料相比,其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了 32.40%、41.86%和 37.93%,同时其在高温下质量损失率显著降低,吸水率也降低了44.94%。此外,根据黄麻纤维/PP复合材料断口微观形貌分析,与未处理黄麻纤维相比,黄麻纤维经表面经纳米 SiO2粒子沉积处理后其与PP之间的界面无明显空隙,复合材料断裂时,黄麻纤维表面附着大量树脂基体。这表明通过聚电解质法在黄麻纤维表面沉积纳米SiO2粒子,可以有效提升黄麻纤维/PP复合材料的界面结合强度。
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