竹條-乙烯基酯復(fù)合材料的界面吸濕性能及界面性能的AFM表征.pdf

1、隨著人們對(duì)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)理念意識(shí)的提高，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已日趨受到關(guān)注。竹是一種天然的植物材料，具有資源豐富、力學(xué)性能高、可生物降解等特性。研究開(kāi)發(fā)竹材增強(qiáng)復(fù)合材料既能符合環(huán)境保護(hù)的要求，又能提高竹材的利用率，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展都具有十分重要的意義。然而，由于竹本身的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，在一定的大氣濕度條件下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性和親水性，在制備復(fù)合材料的工藝過(guò)程中易形成鼓泡和翹曲變形，加劇與樹(shù)脂的界面不相容性。另外，當(dāng)制備好

2、的竹材增強(qiáng)復(fù)合材料在室外濕環(huán)境下使用時(shí)，竹材的吸濕性也將引起復(fù)合材料界面的破壞和整體力學(xué)性能的下降。因此，對(duì)竹材增強(qiáng)復(fù)合材料界面吸濕性能的研究（包括制備過(guò)程中工藝環(huán)境濕度對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響以及復(fù)合材料使用過(guò)程中的界面吸水老化特性）非常必要。此外，雖然憑借力學(xué)測(cè)試方法可以直接地測(cè)量和計(jì)算復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度，但是從納米尺度上研究界面微觀性質(zhì)對(duì)全面反映復(fù)合材料界面狀態(tài)的本質(zhì)至關(guān)重要。
　　 論文是圍繞竹材/樹(shù)脂間的界面吸濕性能及

3、從納米尺度上對(duì)界面性能進(jìn)行表征而展開(kāi)研究的，以期實(shí)現(xiàn):(1)量化復(fù)合材料制備過(guò)程中，環(huán)境濕度對(duì)竹材/樹(shù)脂復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響;(2)探索有效的化學(xué)改性方法對(duì)竹材進(jìn)行改性，降低竹材的吸濕性能及提高竹材增強(qiáng)復(fù)合材料的界面抗?jié)裥阅?(3)采用原子力顯微鏡技術(shù)(AFM)對(duì)竹材/樹(shù)脂的界面區(qū)域形貌進(jìn)行掃描和力學(xué)性能測(cè)試，分析復(fù)合材料納米尺度范圍內(nèi)的界面特性。
　　 論文以竹條（經(jīng)刨削工藝獲得的、具有一定寬度和厚度的竹片材）和乙烯基酯

4、樹(shù)脂為研究對(duì)象，對(duì)不同濕度環(huán)境下竹條的吸濕特性、復(fù)合材料制備過(guò)程中的環(huán)境濕度對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:竹條是一種強(qiáng)吸水性材料，其吸濕特性與其它天然纖維（如棉、麻纖維）類似，吸濕后的竹條具有顯著的尺寸膨脹性，且其拉伸延展性和彈性模量分別有所提高和降低;隨著復(fù)合材料制備過(guò)程中環(huán)境濕度的增加，竹條/乙烯基酯樹(shù)脂的界面粘結(jié)強(qiáng)度先呈線性下降，后再突然加速下降。與干燥條件下制備的材料試樣的界面粘結(jié)強(qiáng)度相比，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下（20±2

5、℃，65±2％RH）獲得的竹條增強(qiáng)乙烯基酯復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度只是前者的一半，而在相對(duì)濕度為80％RH和90％RH條件下制備的復(fù)合材料界面的粘結(jié)強(qiáng)度值幾乎為零。此現(xiàn)象表明，復(fù)合材料制備過(guò)程中的環(huán)境濕度對(duì)其界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響是極其嚴(yán)重的。
　　 為了改善上述現(xiàn)象，需對(duì)竹條進(jìn)行化學(xué)改性。采用了堿處理、乙?；幚怼⒏咤i酸鉀氧化處理以及硅烷偶聯(lián)劑處理，分析比較了四種處理方法對(duì)竹條吸濕性能及干、濕環(huán)境下與乙烯基酯樹(shù)脂粘結(jié)性能的影響。研究

6、表明:乙?；幚砟苡行Ы档椭駰l的吸濕性（包括各種濕度條件下竹條的平衡含濕率和水分子在竹條中的擴(kuò)散系數(shù)），高錳酸鉀氧化和硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)改變竹條的吸濕性能效果不明顯，而堿處理提高了竹條的吸濕性能。在竹條/乙烯基酯樹(shù)脂的粘結(jié)性能方面，四種化學(xué)改性方法都有效提高了干竹條/乙烯基酯樹(shù)脂的界面粘結(jié)強(qiáng)度，其中，硅烷、乙?；透咤i酸鉀處理的效果較好，但彼此間無(wú)統(tǒng)計(jì)意義上的顯著性差異，而堿處理的效果相對(duì)較差;隨著制備環(huán)境濕度的增加，無(wú)論是否通過(guò)化學(xué)改性

7、，竹條與乙烯基酯樹(shù)脂間的界面粘結(jié)強(qiáng)度都急劇下降。通過(guò)對(duì)比竹條/乙烯基酯樹(shù)脂在高濕度制備條件下的界面剪切強(qiáng)度值可知:當(dāng)環(huán)境濕度為80％RH時(shí)，除了乙?；幚淼脑嚇?，其它所有試樣的界面粘結(jié)強(qiáng)度值都幾乎為零;乙?；幚碓嚇拥慕缑婕羟袕?qiáng)度值與未處理試樣在40％RH的濕度條件下獲得的界面剪切強(qiáng)度值大致相等，也與其它三種化學(xué)處理試樣在60％RH的濕度條件下獲得的界面剪切強(qiáng)度值相等。上述結(jié)論表明，由環(huán)境濕度引起的復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的降低可通過(guò)對(duì)竹條

8、進(jìn)行乙?；幚淼玫接行Ц纳?。
　　 作為對(duì)復(fù)合材料界面吸濕性能的研究，論文還分析了干燥環(huán)境下制備的竹條/乙烯基酯復(fù)合材料試樣在水中浸泡不同時(shí)間后界面粘結(jié)強(qiáng)度的變化情況。結(jié)果表明:由吸水老化導(dǎo)致的界面粘結(jié)強(qiáng)度的下降主要發(fā)生在浸泡水中9天內(nèi)（損失38％）;此后，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，界面粘結(jié)強(qiáng)度值保持穩(wěn)定，直至浸泡100天后都未發(fā)生顯著變化。四種化學(xué)處理對(duì)竹條增強(qiáng)乙烯基酯復(fù)合材料吸水老化性能的影響表明:在短浸泡時(shí)間內(nèi)，硅烷處理試樣的界

9、面粘結(jié)強(qiáng)度值保留情況最好，而隨著在水中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，乙酰化處理對(duì)抗吸水老化性能的效果逐漸體現(xiàn)出來(lái)。
　　 以上研究中的試樣界面粘結(jié)強(qiáng)度都是通過(guò)竹條抽拔實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。該方法雖能直接地測(cè)量界面粘結(jié)強(qiáng)度，但是由于界面尺度小，界面相形態(tài)復(fù)雜，此方法并不能完全表征復(fù)合材料界面的本質(zhì)特性。為此，本課題還采用原子力顯微鏡中的輕敲模式和納米壓痕技術(shù)對(duì)干燥竹條/乙烯基酯樹(shù)脂間的界面形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了分析和表征。結(jié)果顯示:竹條/樹(shù)脂間存在兩種不同

10、形態(tài)的界面，即纖維素/樹(shù)脂界面和木質(zhì)素/樹(shù)脂界面;在未改性的竹條/樹(shù)脂系統(tǒng)中，兩者間存在較小的界面相，其樹(shù)脂-界面-纖維素（或木質(zhì)素）間的彈性模量分布呈現(xiàn)為非連續(xù)的突變;竹條經(jīng)化學(xué)改性后，明顯存在著彈性模量介于纖維素（或木質(zhì)素）和樹(shù)脂間的過(guò)渡區(qū)域，且界面處的彈性模量也比未處理試樣大。該方法能從納米尺度上有效地獲得竹條/樹(shù)脂的微觀形貌特征和力學(xué)性能的分布信息。
　　 本課題關(guān)于竹條增強(qiáng)乙烯基酯復(fù)合材料界面吸濕性能的研究結(jié)果，對(duì)其它