植物纤维表面处理对纤维

（3）纤维用量在一定范围内对环氧树脂有增强和增 韧作用。纤维含量为20%-25%之间时，拉伸强度最大。 纤维含量为15%断裂伸长率与抗冲强度最大。纤维的 最优加入量为15%。

（4）纤维含水率过高和过低均使增强和增韧效果变 差。含水率为15%拉伸强度最大；4%时断裂伸长率最 大；1%时抗冲强度最大。纤维的最佳含水率应控制为 1%-4%之间。 （5）加入偶联剂，试样的拉伸强度下降，断裂伸长 率增加。加入硬脂酸抗冲强度提高，增加52.6%。 （6）控制碱处理时间可使拉伸强度和抗冲强度增加。 处理时间为3小时，拉伸强度与冲击强度最大。
0.17%
0.13% 0.09% 0.07%
0.11%
0.14% 0.20% 0.05%
1.16%
0.94% 0.67% 1.04%
5%
0.01%
0.03%
0.10%
0.85%
加入纳米SiO2能够提高材料的耐蚀性能。
结论

（1）纤维在80℃下干燥7小时, 所含水分基本被清除, 干燥3.5小时，纤维含水率为4%,可用于实验和工业生 产。 （2）环氧树脂制备的最佳成型工艺为:固化剂用量为 30%，室温固化,增塑剂加入量为2%。
1 固化剂用量
2H 3H
25
30 35 2B
2B
H
HB
2H 3H
3H
3H 3H
3H
3H 3H
3H
3H 3H
随固化剂加入量增多， 固化速度加快。
HB 2H
表3-2固化温度对固化速度的影响 固化温 10 度（℃） min 室温 22 40 50 2B 2B HB H 2H 2H 3H 20 min 30 min 40 min 1h 2h 4h 5h 6h
2 冲击性能
纤维的韧性大于环氧树脂， 纤维/树脂复合材料的抗冲强度 随纤维含量增加而提高。
图3-7纤维含量对抗冲强度的影响
3 硬度

试样的硬度随着竹纤维含量的 增加而下降。
图3-8纤维含量对硬度的影响
5.5 纤维含水率对材料性能影响
1 拉伸性能
纤维含水率过高和过低均 使增强和增韧效果变差。
图3-9材料拉伸强度与纤维烘干时间的关系 图3-10材料断裂伸长率与纤维烘干时间的关系



（7）加入纳米SiO2能增加材料拉伸和冲击强度，纳 米SiO2含量为4%时，拉伸强度和冲击强度最大。 （8）钛酸酯偶联剂和纳米SiO2的加入都能增加复合 材料的耐蚀性。

谢谢
各位老师同学！
硅烷偶联剂与钛酸酯偶联剂对强度影响不大。 硬脂酸能提高抗冲强度。能使填料在聚合物中均匀分散。改善填料 表面与聚合物相容性和润湿性。
5.7 碱处理对复合材料性能影响
表3-4 水浸泡处理的纤维复合材料的各项性能
拉伸强度（MPa）断裂伸长率
抗冲强度 （kJ/m2）
3.2
硬度（HA）
3.01
23.68%
93
试样种 类 水 浸 泡 碱液浸 重 量 变 泡重量 化率 变化率 液压油 浸泡重 量变化 率 甲苯浸 泡重量 变化率
3%硅烷 偶联剂 处理
3%钛酸 酯偶联 剂处理 3%硬脂 酸处理
0.14%
0.26%
0.16%
5.16%
0.01%
0.09%
3.27%
1.01%
0.24%
0.85%
0.45%
5.34%
3 预期成果

确定环氧树脂固化剂用量、固化温度和增塑剂用量， 优化环氧树脂成型工艺。

优化纤维表面处理方法和工艺。
优化植物纤维和纳米SiO2的用量，制备出力学性能较 好的纤维/环氧树脂复合材料。

4 样品制备
竹纤维 表面处理 烘干
环氧树脂 混合 增塑剂 模具中固化 固化剂 浇铸
性能测试
5.1 纤维含水率与烘干时间的关系
植物纤维表面处理对纤维/ 环氧复合材料性能的影响
学 生：王静怡 指导教师：周松 专 业：高分子材料与工程
1 研究的目的与意义


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环氧树脂具有粘接力强、工艺性好、适应性强等优 点，应用广泛。 环氧树脂固化后存在内应力大、质脆、耐疲劳性与 耐冲击性差等不足，很大程度上限制了它进一步推 广应用。 采用天然植物纤维与纳米材料对环氧树脂进行填充 改性，可以改善环氧树脂脆性大、冲击强度低的缺 点，使用植物纤维还可降低成本、节约能源，前景 广阔。
材料耐有机溶剂性能比其它差：相似相溶。 经钛酸酯偶联剂处理过的复合材料耐蚀性比较好。
表3-6 纳米SiO2填充复合材料的耐碱、耐油、耐有机溶剂性能 纳米SiO2 含量 水浸泡重量变 化率 碱液浸泡重量 变化率 液压油浸泡重 量变化率 甲苯浸泡重量 变化率
1%
2% 3% 4%
0.13%
0.21% 0.11% 0.04%
2 抗冲性能

随着增塑剂加入量的增加，材 料的抗冲性能增加。
图3-4增塑剂用量对抗冲击性能的影响
5.4 纤维含量对材料性能的影响
1 拉伸性能
纤维形态长径比大、比强度高 ，连续纤维在基体中线形排列，起到增强 作用。
图3-5纤维含量对拉伸强度的影响
图3-6纤维含量对断裂伸长率的影响
纤维含量太高，纤维素中的羟基容易形成分子内及分子间 氢键，植物纤维在体系中分散不均出现凝聚，破坏基体的性能， 导致材料的拉伸性能变差。
对比配方：用清水浸泡纤维
1 拉伸性能
图3-13 碱液浸泡时间对拉伸强度的影响

图3-14 碱液浸泡时间对断裂伸长率的影响

碱处理纤维去除纤维中的非增强成分半纤维素、果胶等，使纤维溶胀 蓬松更易均匀，拉伸强度提高。 碱处理时间延长,纤维水解量及无机盐溶出量增加,纤维中微孔数目增 多, 向纵深发展，断裂伸长率降低。
竹粉重量随烘干时间 的增加不断减小，图线的 趋势越来越平。80℃温度 下干燥7小时, 所含水分 被清除。
图3-1 竹纤维的质量与烘干时间的关系
5.2 环氧树脂固化工艺的确定
表3-1固化剂用量对固化速度的影响 固化 剂量 (wt%) 15 20 2B HB 3H 2h 3h 4h 5h 6h 10h 10h 以上

图3-18 纳米SiO2对复合材料断裂伸长率的影
1 纳米SiO2表面活性极强,表面硅氧键易于与树脂中的氧起键合作用, 提高分子间的作用力。 2 纳米SiO2颗粒分布在高分子键的空隙中,有润滑作用,使材料拉伸性 能提高。
2 抗冲强度
3 硬度
纳米SiO2是三维链状结构,且表面存在不饱和残 键及不同键合状态的羟基,与树脂中氧键结合或嵌在 树脂键中可增强树脂的硬度。
2 抗冲性能
1 碱处理后,界面结合强度高。
3 硬度
2 碱处理纤维溶胀性提高，中间孔腔增大, 有利于吸收能量,增加冲击强度。
硬度降低
图3-15 碱液浸泡时间对抗冲强度的影响
图3-16碱液浸泡时间对硬度的影响
5.8 纳米SiO2对复合材料性能影响
1拉伸性能
图3-17纳米SiO2对复合材料拉伸强度的影响
图3-19 纳米SiO2对复合材料抗冲强度的影响

图3-20 纳米SiO2对复合材料硬度的影响
纳米SiO2颗粒小, 起到应力集中的作用，当复合体系受到外力冲击时, 应力集中点会导致粒子周围树脂发生大的塑性变形而吸收冲击能。
5.9 复合材料的耐蚀实验结果与分析
表3-5纤维/环氧树脂的耐碱、耐油、耐有机溶剂性能
2B 3H 3H
HB
H
2H
3H
2 固化温度 温度升高，固化速度加快，但是当温度过高，在 50℃以上时，固化时间过短，材料出现大量气泡，影响性能。
5.3增塑剂对环氧树脂性能影响
1 拉伸性能
图3-2 增塑剂用量对拉伸强度的影响

图3-3增塑剂用量对断裂伸长率的影响
增塑剂的极性基团与聚合物分子的极性基团相互作用，代替了聚合物 极性分子间的作用（减少了联结点），从而削弱了分子间的作用力， 起到增塑作用。
2 抗冲强度
3 硬度
图3-11材料抗冲强度与纤维烘干时间的关系

图3-12材料的硬度与纤维烘干时间的关系
抗冲强度与硬度均先升高再降低。
5.6 处理剂对复合材料性能影响
表3-3 偶联剂对材料性能的影响 处理剂种类 未加偶联剂 硅烷偶联剂 硬脂酸 钛酸酯偶联 剂 拉伸强度 （MPa） 9.67 7.59 5.60 4.58 断裂伸长率 16.16% 18.21% 10.48% 13.06% 冲击强度 （KJ/m2） 3.8 2.7 5.8 3.9 硬度 (HA) 87 94 89 88
目前，用纤维增韧热固性树脂的研 究多数只是考虑了纤维粒径与含量对材 料性能的影响。结合其它增韧方法，本 实验提出以下构想，使纤维起到更好的 增韧与增强效果。
2 本研究的总体构想


优化环氧树脂固化成型工艺，改进其加工性能。 通过碱处理、热处理、处理剂等改善纤维性能，提高与 环氧树脂间的结合能力，获得性能优良的改性纤维/环 氧树脂环境友好材料。 进一步采用无机纳米粒子改善体系的力学行为，扩大环 氧树脂的应用领域，制备一种原料廉价且环保的材料。