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汽车工业轻量化和环境保护与可持续发展推动了天然纤维复合材料的开发与研究。天然纤维增强复合材料研究中尚有许多关键问题需要解决,本文以黄麻纤维毡为增强材料,聚丙烯为基体,提供了一套较为完整的麻纤维毡增强聚丙烯的工业化制备技术并通过不同途径得到了较高性能的复合材料。
借鉴玻纤增强聚丙烯的研究方法,用改装的毛细管流变仪作为实验装置,以一维Darcy定律作为理论依据,利用柱体绕流模型中的混合模型对麻纤维毡的渗透率进行预测,发现和实验值比较吻合。研究压力对毡体空隙率以及熔体粘度对浸渍速率的影响,分析毡体结构和渗透率,解释麻纤维毡浸渍速率远高于玻纤毡的原因。以特殊设计的热电偶为测温元件,双钢带压机为连续浸渍设备,研究并提出了双钢带压机中温度和压力等工艺参数,为麻纤维毡增强聚丙烯的工业化制备提供参考和依据。
为改善纤维和基体间的界面结合,本文从表面处理的工艺和配方出发,开发了一套能够适用于工业化的较完整的表面处理技术,提出一种新的处理方法-NaOH溶液和MPP乳液组合处理麻纤维毡,使麻纤维毡增强聚丙烯强度模量大幅度提高。对处理前后的麻毡进行了SEM、红外、表面能等表征分析,解释了界面结合增强机理。用Weibull模型结合实验结果探讨了纤维直径和拉伸强度的分布,将统计学函数用于表达天然纤维的特征分散性。利用单纤维强力仪,采用微珠脱粘法对界面剪切强度进行了测定,首次报道了天然纤维和无机填料组合增强多元体系的界面剪切强度,探讨了不同表面处理及相容剂和填料的加入对界面剪切强度的影响。
为实现麻纤维毡增强聚丙烯的高性能化,本文通过三种不同途径进行了改性-基体改性、表面处理和混杂增强,得到了高强度和高模量的麻纤维毡增强聚丙烯复合材料并对性能进行了评价和比较。在基体中添加相容剂,讨论了SPP、MPP和EPP三种相容剂对材料力学性能的影响并探讨了相关的机理;对纤维进行表面处理,探讨了处理剂的处理浓度、时间对材料力学性能的影响并对其中机理进行了对比分析:在基体中添加无机填料或设计不同纤维混杂方式,同时提高材料的刚性和韧性,对不同的混杂方式对复合材料力学性能的影响给出了合理解释。
和汽车厂家进行合作,共同开发卡车侧护板并对存在的问题进行了剖析,优化了成型工艺,得到了合格产品。为天然纤维复合材料的应用开发积累了初步经验和数据。