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竹纤维增强聚丙烯复合材料制备及力学、老化性能研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 汽车材料的发展趋势

1.1.1 环保节能型汽车材料的开发

1.1.2 天然纤维复合材料在汽车领域的应用

1.1.3 竹纤维复合材料在汽车领域的应用

1.2 竹纤维增强聚丙烯复合材料的开发

1.3 竹纤维增强聚丙烯复合材料的研究现状

1.3.1 竹纤维结构与性能

1.3.2 竹纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能

1.3.3 竹纤维增强聚丙烯复合材料的老化性能

1.4 竹纤维增强聚丙烯复合材料的环境适应性

1.4.1 汽车材料的耐候性研究

1.4.2 实验室加速老化环境的研究

1.4.3 环境老化因素的研究

1.5 本课题研究目的与内容

第二章 竹纤维增强聚丙烯复合材料的制备与测试

2.1 实验原材料

2.2 实验设备

2.3 竹纤维/PP制备工艺

2.4 预成型件结构设计

2.5 竹纤维改性处理工艺

2.5.1 碱处理

2.5.2 偶联剂处理

2.6 竹纤维结构与性能表征

2.6.1 断裂强度测试

2.6.2 表面能测试

2.7 竹纤维/PP性能测试

2.7.1 弯曲性能

2.7.2 拉伸性能

2.7.3 剪切性能

2.7.4 吸湿性能

2.8 本章小结

第三章 竹纤维增强聚丙烯复合材料力学性能研究

3.1 竹纤维质量分数对竹纤维/PP力学性能的影响

3.2 制作结构对竹纤维/PP力学性能的影响

3.3 碱处理对竹纤维/PP力学性能的影响

3.3.1 碱处理对竹纤维力学性能的影响

3.3.2 碱处理对竹纤维表面性能的影响

3.3.3 碱处理对竹纤维/PP力学性能的影响

3.4 偶联剂处理对竹纤维/PP力学性能的影响

3.5 竹纤维/PP汽车材料开发可行性分析

3.6 本章小结

第四章 竹纤维增强聚丙烯复合材料吸湿特性研究

4.1 湿热环境参数

4.2 复合材料的吸湿机理

4.2.1 吸湿性能表征

4.2.2 复合材料吸湿模型

4.2.3 Fick吸湿模型

4.3 竹纤维/PP吸湿性能

4.3.1 竹纤维/PP吸湿规律

4.3.2 竹纤维/PP平衡吸湿量测试

4.3.3 竹纤维/PP表观扩散系数测试

4.4 竹纤维/PP吸湿机理

4.4.1 制作结构对吸湿性能的影响

4.4.2 碱处理对吸湿性能的影响

4.4.3 偶联剂处理对竹纤维/PP吸湿性能的影响

4.5 吸湿对竹纤维/PP质量的影响

4.6 本章小结

第五章 竹纤维增强聚丙烯复合材料湿热老化性能研究

5.1 湿热老化对竹纤维/PP力学性能的影响

5.1.1 湿热老化对弯曲性能的影响

5.1.2 湿热老化对拉伸性能的影响

5.1.3 湿热老化对界面性能的影响

5.1.4 湿热老化对微观结构的影响

5.2 竹纤维/PP耐湿热老化性能

5.2.1 结构优化对竹纤维/PP湿热老化性能的影响

5.2.2 碱处理对竹纤维/PP湿热老化性能的影响

5.2.3 偶联剂处理对竹纤维/PP湿热老化性能的影响

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 未来研究工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

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摘要

由于竹纤维表面与聚丙烯树脂存在较大极性差,这导致了竹纤维增强聚丙烯复合材料的弱界面性能和湿热敏感性。随着汽车工业对材料环境适应性研究的注重,针对汽车的使用环境,研究竹纤维增强聚丙烯复合材料的湿热老化性能具有非常重要的意义。
  课题采用非织造工艺和热压工艺制备了竹纤维增强聚丙烯复合材料,分别研究了竹纤维含量、制作结构和改性处理对复合材料力学性能、吸湿性能的影响;并通过层间混杂结构和竹纤维表面性能对复合材料性能作用机理的研究,探索了两种优化方式对复合材料湿热稳定性的影响。
  复合材料力学性能研究表明,当竹纤维/PP质量比为60/40时,复合材料具有最优力学性能,其弯曲强度和模量分别为51.64MPa和3.97GPa,拉伸强度和模量分别为38.72MPa和4.36GPa。层间混杂结构、碱处理和偶联剂处理分别通过提高竹纤维和聚丙烯树脂分散性、竹纤维表面能,以及降低竹纤维表面极性,改善了复合材料内部缺陷和界面性能,从而提高了材料的力学性能。其中,3%偶联剂处理复合材料性能最优,其弯曲强度和模量分别为为73.99MPa和6.07GPa,拉伸强度和模量分别为56.57MPa和6.17GPa,相比处理前,复合材料的各项性能分别提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。
  吸湿性能研究表明,复合材料的吸湿规律符合Fick吸湿定律,其水分表观扩散系数数量级为10-7cm2/s,当竹纤维/PP质量比为60/40时,复合材料具有相对较好的耐湿性,其平衡吸湿量为5.05%,水分表观扩散系数为3.06×10-7cm2/s。根据竹纤维/PP吸湿机理,复合材料主要通过内部缺陷和竹纤维的亲水性进行吸湿,且竹纤维表面性能是影响复合材料吸湿性能和耐湿性能的主要因素。
  湿热老化性能研究表明,改善界面性能和竹纤维表面性能是提高复合材料湿热稳定性的有效措施。层间混杂结构和改性处理复合材料的力学性能及其湿热稳定性均有一定程度提高,主要体现在弯曲和剪切性能方面,拉伸性能的湿热稳定性则略有降低。

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