甘蔗渣 NR復(fù)合材料的研究(畢業(yè)論文)

1、甘蔗渣/NR復(fù)合材料的研究畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)） 摘 要本文研究甘蔗渣/NR復(fù)合材料，通過對甘蔗渣進(jìn)行預(yù)處理堿處理法，使植物纖維中的部分果膠、木素和半纖維素等低分子雜質(zhì)被溶解，纖維表面的雜質(zhì)被除去，纖維表面變得粗糙，使界面之間黏合能力增強(qiáng)。然后分別用5份、10份、15份、20份、25份的甘蔗渣纖維改性NR，實(shí)驗(yàn)證明甘蔗渣纖維含量為10g、15g時獲得了性能較好的復(fù)合材料。為了能獲得優(yōu)良的綜合性能，對預(yù)處理的甘蔗渣纖維用不同濃度（0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%）的硅烷偶聯(lián)劑再進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)證明濃度為2%硅烷偶聯(lián)劑處理過的甘蔗渣纖維獲得了更好的綜合性能。關(guān)鍵詞 甘蔗渣纖維；NR；復(fù)

2、合材料；堿處理；硅烷偶聯(lián)劑 Abstract In this paper, bagasse / NR composites, bagasse by pretreatment - alkali treatment, so that some of the plant fiber pectin, lignin and hemicellulose was dissolved impurities such as low molecular weight, fiber surface impurities were removed fiber surface becomes rough, so tha

3、t the interface between the bonding capacity. And then were treated with 5, 10, 15, 20, 25 copies of the modified bagasse fiber NR, experimental proof of bagasse fiber content of 10g, 15g performance was better when the composite material. In order to obtain good overall performance, the fiber bagas

4、se pretreated with different concentrations (0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%) of the silane coupling agent and then processing, experimental proof of the concentration of silane coupling agent of 2% treated bagasse fiber to obtain a better overall performance.Key words :bagasse fiber;NR;composite mater

5、ials; alkali;silane coupling agent 目 錄1 引言42、實(shí)驗(yàn)部分42.1 主要原材料及試劑42.2 主要儀器52.3 試驗(yàn)配方52.4 試樣的制備和測試52.4.1 甘蔗渣纖維的預(yù)處理堿處理法52.4.1.1作用機(jī)理52.4.1.2步驟52.4.2甘蔗渣纖維的表面處理-偶聯(lián)法62.4.2.1作用機(jī)理62.4.2.2步驟62.4.3 NR混煉膠的制備62.5 性能測試63、結(jié)果與分析73.1堿處理對甘蔗/NR復(fù)合材料硫化特性的影響73.2 堿處理對甘蔗渣/NR復(fù)合材料力學(xué)性能的影響83.3硅烷偶聯(lián)劑用量對甘蔗渣/NR復(fù)合材料硫化特性的影響93.4硅烷偶聯(lián)劑含量對

6、甘蔗渣/NR的力學(xué)性能的影響123.5堿處理與硅烷偶聯(lián)劑處理復(fù)合材料力學(xué)性能的比較134、結(jié)論14致 謝16參考文獻(xiàn)171 引言復(fù)合材料是指把兩種以上宏觀上不同的材料，合理地進(jìn)行復(fù)合而制得的一種材料，目的是通過復(fù)合來提高單一材料所不能發(fā)揮的各種特性。復(fù)合材料是多相材料。它包括基體相和增強(qiáng)相?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相一般為分散相，主要起承受應(yīng)力和顯示功能的作用，這兩相最終以復(fù)合材料的固相材料出現(xiàn)。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特性，又可通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能相互補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。本文利用甘蔗渣改性NR，得到綜

7、合性能優(yōu)良的復(fù)合材料1。 甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品，是甘蔗機(jī)械壓制后的所剩的主要部分，屬于農(nóng)業(yè)固體廢棄物的一種，但是它卻有非常重要的利用價值。甘蔗渣較早的被用來制漿造紙，生產(chǎn)畜禽飼料及堆肥，制備活性炭，還可用來制取木糖醇、糠醛、糠氯酸，水解發(fā)酵乙醇等2。 本文研究甘蔗渣/NR復(fù)合材料，其中甘蔗渣是增強(qiáng)相，NR是基體相。通過對復(fù)合材料硫化成型后的物理性能測試，該研究對于充分利用植物資源具有重要意義。2、實(shí)驗(yàn)部分2.1 主要原材料及試劑NR：海南產(chǎn)SCR5# ；甘蔗渣：那大糖廠，榨糖后經(jīng)過干燥、壓緊打包處理。苯 廣州化學(xué)試劑廠無水乙醇 廣州化學(xué)試劑廠氫氧化鈉(NaOH):分析純 廣州化學(xué)試劑廠

8、冰醋酸 廣州化學(xué)試劑廠3氨丙基三已氧基硅烷 上海晶純試劑有限公司其余橡膠配合劑:氧化鋅、硬脂酸、硫磺、促進(jìn)劑等均為國產(chǎn)工業(yè)純試劑。2.2 主要儀器JTC-572型開放式煉膠機(jī)： 廣東省湛江機(jī)械廠造XLB-D 350*350*2型平板硫化機(jī)： 上海第一橡膠機(jī)械廠ODR-100E型轉(zhuǎn)子硫化儀： 無錫蠡園電子化工設(shè)備廠XL -50A型拉力試驗(yàn)機(jī)： 廣州市廣材試驗(yàn)儀器有限公司LX-A型邵氏橡膠硬度計(jì)： 江都市明珠試驗(yàn)機(jī)械廠 XUT-厚度計(jì) 營口市材料試驗(yàn)機(jī)有限公司鼓風(fēng)干燥箱 重慶銀河試驗(yàn)儀器廠電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司2.3 試驗(yàn)配方NR：100； ZnO：5； 促M(fèi)：0.7； S：3；

9、硬脂酸：0.5； 甘蔗纖維：變量。2.4 試樣的制備和測試2.4.1 甘蔗渣纖維的預(yù)處理堿處理法【3-6】2.4.1.1作用機(jī)理 堿處理法已廣泛用于天然植物纖維的表面處理。該法采用NaOH溶液浸泡植物纖維。經(jīng)過堿處理，使植物纖維中的部分果膠、木素和半纖維素等低分子雜質(zhì)被溶解，纖維表面的雜質(zhì)被除去，纖維表面變得粗糙，使界面之間黏合能力增強(qiáng)。另一方面，堿處理導(dǎo)致纖維原纖化，即復(fù)合材料中的纖維束分裂成更小的纖維，纖維的直徑減小，長徑比增加，與基體的有效接觸面積增加。2.4.1.2步驟 將甘蔗渣在18%NaOH溶液中浸泡2-3h，后用苯/乙醇溶液(1:1)浸泡24h，再用冰醋酸洗至中性。取出擠干放于烘

10、箱內(nèi)70烘干。后用混煉機(jī)輥筒進(jìn)行輥壓剪切粉碎，再用篩子進(jìn)行過篩，去掉較長纖維。2.4.2甘蔗渣纖維的表面處理-偶聯(lián)法3-4 堿處理后的甘蔗渣纖維表面有大量的羥基等極性分子，分子間作用力大。因此，纖維容易聚集成束，也不易在非極性的天然橡膠中分散均勻，兩相不容易很好的相容。短纖維在基質(zhì)中的分散、短纖維與基質(zhì)橡膠的有效粘合是得到復(fù)合材料良好性能的前提。為此必須對纖維再進(jìn)行表面處理。2.4.2.1作用機(jī)理以硅烷偶聯(lián)劑處理植物纖維，以其極強(qiáng)的滲透性滲透至植物纖維顆粒的所有間隙，從而進(jìn)一步浸潤植物纖維的全部表面，使得偶聯(lián)劑與植物纖維表面保持良好的接觸，而有機(jī)硅烷中的烷氧基團(tuán)水解后形成的硅醇跟植物纖維中的羥

11、基發(fā)生化學(xué)作用，在纖維表面形成有機(jī)硅烷分子層，還可與聚合物形成偶聯(lián)作用，有效地提高植物纖維與聚合物之間的粘接強(qiáng)度，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度提高。 2.4.2.2步驟 (1)將硅烷偶聯(lián)劑用乙醇分別稀釋至濃度為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%待用；(2)將稀釋后的硅烷偶聯(lián)劑均勻地噴灑到甘蔗渣纖維表面，風(fēng)干后，放入烘箱內(nèi)于60干燥，使殘余溶劑揮發(fā)，得到進(jìn)一步表面處理的甘蔗渣纖維。2.4.3 NR混煉膠的制備5試樣的制備在JTC-572型煉膠機(jī)上進(jìn)行，NR塑煉包輥后，依次加入硬脂酸、ZnO、促M(fèi)、S、甘蔗纖維，薄通下片?；鞜捘z放置2h后進(jìn)行硫化特性試驗(yàn)，測其T90得最佳硫化時間。后采用平板硫

12、化機(jī)硫化，硫化試片在室溫下放置16h后，沿其壓延方向和垂直于壓延方向進(jìn)行裁片，供性能測試。2.5 性能測試6-7 硫化特性：在ODR-100型硫化儀上按GB9869-1997標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，采用硫化速度指數(shù)（CRI）表示混煉膠的硫化速度，即CRI=100/（t90-t10）。其中，t90和t10分別為145下混煉膠的正硫化時間和初期硫化時間。硬度：按GB/T531-1999用LX-A型邵氏橡膠硬度計(jì)測試。拉伸性能和撕裂性能：在XL -50A 型試驗(yàn)機(jī)上分別按GB/T528-1998、GB/T529-1999測試。試樣厚度為2 mm ,寬度為6 mm ,測試溫度為27,拉伸速率為500 mm/ min

13、 。3、結(jié)果與分析3.1堿處理對甘蔗/NR復(fù)合材料硫化特性的影響將堿處理的甘蔗渣按0、5、10、15、20、25份與NR共混得甘蔗渣/NR復(fù)合材料，其硫化曲線及硫化特性分別如圖1和表1所示。圖1堿處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料的硫化曲線表1 堿處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料的硫化特性測試項(xiàng)目纖維素用量0 5份 10份 15份 20份 25份Ts2,min 2.36 2.3 1.82 1.97 1.9 1.88T10,min 2.63 2.6 2.18 2.33 2.25 2.26T90,min 13.47 12.9 12.1 11.82 11.5 11.43MH,Nm 3.4 3.47 3.71 3.81

14、 4.09 4.25ML,Nm 0.54 0.34 0.33 0.26 0.41 0.38MH-ML,Nm 2.86 3.13 3.38 3.55 3.68 3.87CRI 9.23 9.71 10.08 10.54 10.81 10.90 表1是由圖1采集而來，由表1 可以看出, 當(dāng)甘蔗渣纖維的用量為0時，即純膠配方，與其它混煉膠相比，硫化速度慢；且隨著甘蔗渣纖維素用量的增加，混煉膠的硫化速度不斷增大。這主要是因?yàn)楦收嵩w維經(jīng)過堿處理對硫化過程有促進(jìn)作用。 隨甘蔗渣纖維素添加量的增多，最高門尼粘度逐漸增大。因?yàn)楦收嵩w維素的加入，增大了混煉膠的粘度，所以扭矩增大。3.2 堿處理對甘蔗渣/NR

15、復(fù)合材料力學(xué)性能的影響 將堿處理的甘蔗渣按0、5、10、15、20、25份與NR共混得甘蔗渣/NR復(fù)合材料硫化后，其膠料性能如表2所示。表2 堿處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料力學(xué)性能 纖維含量，份 項(xiàng)目 0 5份 10份 15份 20份 25份邵爾硬度/度 38 45 51 54 57 60300%定伸應(yīng)力/Mpa 2.23 2.30 2.60 2.78 2.94 2.65500%定伸應(yīng)力/Mpa 5.23 5.67 5.57 5.88 5.54 5.51拉伸強(qiáng)度/Mpa 13.13 14.04 14.93 15.22 14.77 14.64扯斷伸長率/% 760 730 740 700 690 6

16、60扯斷永久變形/% 15 14 15 17 20 20撕裂強(qiáng)度/KNM 27.19 29.32 28.24 30.48 28.06 27.94 從表2可以看出,6 種不同甘蔗渣纖維素用量填充的硫化膠力學(xué)性能有所不同,隨著甘蔗渣纖維用量的增多，硬度不斷增大， 300%、500%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度先增大后減小；當(dāng)甘蔗渣纖維用量為10份、15份時獲得了性能較好的復(fù)合材料，尤以甘蔗渣纖維素用量為15份時達(dá)到最大，此時拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度分別達(dá)到15.22Mpa和30.48KNM。這主要是因?yàn)楦收嵩?jīng)過堿處理，使界面之間黏合能力增強(qiáng)，且堿處理可導(dǎo)致纖維原纖化，使其與基體的有效接觸面積增加，但甘

17、蔗渣纖維素用量達(dá)到一定程度時，它不容易在NR中很好的分散，使得甘蔗渣纖維與NR 基體結(jié)合不夠好。3.3硅烷偶聯(lián)劑用量對甘蔗渣/NR復(fù)合材料硫化特性的影響從堿處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料力學(xué)性能看，填充堿處理甘蔗渣以10份、15份的復(fù)合材料性能較好。采用0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%濃度的硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)一步處理甘蔗渣纖維表面，以此經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的甘蔗渣纖維10、15份與NR共混，其硫化曲線及硫化特性分別如圖3-1、3-2和表3-1、3-2所示。圖3-1 硅烷偶聯(lián)劑處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料的硫化曲線圖3-2 硅烷偶聯(lián)劑處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料的硫化曲線表3-1 硅烷偶聯(lián)劑處理甘蔗渣/

18、NR復(fù)合材料的硫化特性1測試項(xiàng)目偶聯(lián)劑用量 0.5% 1% 1.5% 2% Ts2,min 2.18 2.5 2.38 2.08 T10,min 2.52 2.9 2.77 2.45T90,min 12 13.2 12.78 11.65MH,N.m 3.87 3.76 3.69 3.86ML,N.m 0.34 0.2 0.29 0.43MH-ML,N.m 3.53 3.56 3.4 3.43CRI 10.55 9.71 9.99 10.86注：硅烷偶聯(lián)劑處理后的甘蔗渣填充量為10份表3-2 硅烷偶聯(lián)劑處理甘蔗渣/NR復(fù)合材料的硫化特性2測試項(xiàng)目偶聯(lián)劑用量 0.5% 1% 1.5% 2%Ts2,

19、min 2.72 2.48 2.32 2.20T10,min 3.03 2.9 2.72 2.56T90,min 12.23 12.35 12.35 12.40MH,Nm 3.9 3.81 3.82 3.85ML,Nm 0.34 0.21 0.25 0.24MH-ML,Nm 3.56 3.6 2.57 3.61CRI 10.87 10.58 10.38 10.20注：硅烷偶聯(lián)劑處理后的甘蔗渣填充量為15份表3-1、3-2是由圖3-1、3-2采集而來，由表3-1、3-2可以看出,不同濃度偶聯(lián)劑處理的甘蔗渣纖維對混煉膠焦燒時間、正硫化時間等硫化參數(shù)無明顯影響。相比較而言，甘蔗渣填充量為15份時的硫

20、化速度隨偶聯(lián)劑濃度的增大而減小。3.4硅烷偶聯(lián)劑含量對甘蔗渣/NR的力學(xué)性能的影響 硅烷偶聯(lián)劑對甘蔗渣纖維用量為10份、15份時再進(jìn)行表面處理，復(fù)合材料力學(xué)性能隨硅烷偶聯(lián)劑濃度的變化結(jié)果如表4-1、4-2所示。表4-1 偶聯(lián)劑處理甘蔗渣纖維/NR的力學(xué)性能（10份） 硅烷偶聯(lián)劑的濃度 項(xiàng)目 0.5% 1% 1.5% 2% 2.5% 3%邵爾硬度/度 51 52 50 49 52 53300%定伸應(yīng)力/Mpa 2.98 2.91 2.89 3.17 3.01 3.04500%定伸應(yīng)力/Mpa 6.39 6.87 6.38 6.61 6.45 6.57拉伸強(qiáng)度/Mpa 16.17 16.44 16

21、.88 17.55 17.21 17.23扯斷伸長率/% 710 720 720 740 720 710扯斷永久變形/% 14.0 14.7 14.7 15.3 14.3 14.7撕裂強(qiáng)度/KNM 28.96 28.86 29.54 31.57 29.36 29.81表4-2 偶聯(lián)劑處理甘蔗渣纖維/NR的力學(xué)性能（15份） 硅烷偶聯(lián)劑的濃度 項(xiàng)目 0.5% 1% 1.5% 2% 2.5% 3%邵爾硬度/度 54 53 52 52 55 55300%定伸應(yīng)力/Mpa 2.98 3.12 3.23 3.67 3.42 3.51500%定伸應(yīng)力/Mpa 6.53 6.40 6.93 7.15 6.9

22、9 6.83拉伸強(qiáng)度/Mpa 17.45 17.68 18.22 18.39 17.78 17.82扯斷伸長率/% 720 740 720 710 720 700扯斷永久變形/% 16.7 16.0 17.3 18.0 16.0 16.7撕裂強(qiáng)度/KNM 28.84 29.05 30.42 32.74 30.69 31.06 由表4-1、4-2可知，硅烷偶聯(lián)劑濃度對甘蔗渣纖維復(fù)合材料力學(xué)性能有些影響，其中2%的硅烷偶聯(lián)劑濃度對甘蔗渣纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較為明顯。這主要是因?yàn)橛霉柰榕悸?lián)劑處理過的甘蔗渣纖維與橡膠之間的結(jié)合力最強(qiáng)，而當(dāng)偶聯(lián)劑量的濃度超過一定量時，會有多余的未反應(yīng)的偶聯(lián)劑小分子

23、在甘蔗渣纖維表面形成多層結(jié)構(gòu)，在纖維和基體中間,形成了弱的界面連接帶,從而導(dǎo)致拉伸時纖維容易從基體中抽出，導(dǎo)致性能下降。3.5堿處理與硅烷偶聯(lián)劑處理復(fù)合材料力學(xué)性能的比較 由以上結(jié)果可知堿處理與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)一步處理對復(fù)合材料力學(xué)性能都有改善，現(xiàn)把兩種處理方式對甘蔗渣纖維用量為10份、15份時的力學(xué)性能比較結(jié)果如圖4-1、4-2所示：圖4-1兩種處理方式對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響圖4-2兩種處理方式對復(fù)合材料撕裂強(qiáng)度的影響由圖4-1、4-2可知，與純膠相比，兩種處理方式對復(fù)合材料都有改善，但偶聯(lián)劑處理的效果更好。這主要是因?yàn)楦收嵩?jīng)過堿處理，使界面之間黏合能力增強(qiáng)，且堿處理可導(dǎo)致纖維原纖化，使其與基體的有效接觸面積增加，但它不容易在NR中很好的分散，使得甘蔗渣纖維與NR 基體結(jié)合還不是很好。而繼續(xù)用硅烷偶聯(lián)劑處理過的甘蔗渣纖維與橡膠之間的結(jié)合力更強(qiáng)，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能更好。4、結(jié)論4.1填充甘蔗渣纖維素的混煉膠的硫化速度比纖維素用量為0g時混煉膠的大(CRI) ,硫化快，且隨著甘蔗渣纖維用量的增加，硫化速度不斷加快。4.2實(shí)驗(yàn)證明，堿處理后的甘蔗渣纖維填充量為10份、15份，復(fù)合材料獲得了性能較好的復(fù)合材料。4.3用不同濃度硅烷偶聯(lián)劑對預(yù)處理的甘蔗渣纖維進(jìn)行表面處理，所得復(fù)合材料混煉膠的硫化參數(shù)無