竹粉增強(qiáng)聚丙烯發(fā)泡復(fù)合材料老化機(jī)制的研究.pdf

1、研究開(kāi)發(fā)竹塑發(fā)泡復(fù)合材料，不僅能充分利用我國(guó)豐富的竹類資源，而且能夠發(fā)揮發(fā)泡材料密度小、成本低、韌性高等性能優(yōu)勢(shì)。竹塑發(fā)泡復(fù)合材料在日常使用中不可避免地遭遇性能老化的問(wèn)題，因此研究其在不同環(huán)境下老化性能，了解其老化機(jī)理，對(duì)于延長(zhǎng)復(fù)合材料使用壽命具有積極的影響意義。本文將竹粉增強(qiáng)聚丙烯基發(fā)泡復(fù)合材料作為研究對(duì)象，采用自然老化、氙燈加速老化以及凍融循環(huán)老化三種老化方式，考察竹粉含量對(duì)發(fā)泡復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響，同時(shí)研究發(fā)泡復(fù)合材料表面材

2、色、動(dòng)態(tài)流變行為、熱學(xué)穩(wěn)定性以及表面化學(xué)性質(zhì)的變化趨勢(shì)。最后，考察不同作用機(jī)理抗老化助劑對(duì)發(fā)泡復(fù)合材料老化性能的影響，篩選出適合竹塑發(fā)泡復(fù)合材料的抗老化助劑。
　　論文研究了竹粉/PP發(fā)泡復(fù)合材料在老化過(guò)程中物理力學(xué)性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)1200小時(shí)的氙燈加速老化使發(fā)泡復(fù)合材料性能損失最明顯，10個(gè)月的自然老化次之，而9次凍融循環(huán)老化對(duì)材料性能影響最小。40%竹粉含量的發(fā)泡復(fù)合材料在三種老化方式中表現(xiàn)出最好的綜合力學(xué)性能，自然老化1

3、0個(gè)月后，彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性保留率分別為91.29%、86.69%和73.45%；氙燈加速老化1200小時(shí)后，彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性保留率分別為80.17%和83.15%；9次凍融循環(huán)老化后彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性保留率分別為98.63%、95.5%和91.99%。發(fā)泡聚丙烯力學(xué)損失程度明顯大于竹塑發(fā)泡復(fù)合材料。
　　論文研究了竹粉/PP發(fā)泡復(fù)合材料在老化過(guò)程中表面顏色的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明經(jīng)歷自然老化與氙燈加速老化后材料

4、表面明顯變白，凍融循環(huán)老化后材料表面顏色變白程度較小。在三種老化方式的老化過(guò)程中，竹粉含量越多老化后復(fù)合材料色差值越大，自然老化10個(gè)月后，20%、33%、40%竹粉/PP發(fā)泡復(fù)合材料色差分別為34.86、35.26、36.80；氙燈加速老化1200小時(shí)后，色差分別為42.22、48.20、49.12；9次凍融循環(huán)老化后，色差分別為分別為2.35、6.47、9.59。在自然老化過(guò)程中，表征復(fù)合材料表面黃顏色的b*參數(shù)值呈現(xiàn)先上升后下降的

5、趨勢(shì)，說(shuō)明復(fù)合材料中竹粉木質(zhì)素成分，在自然老化前三個(gè)月對(duì)苯酚生成對(duì)苯醌的反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，使得材料顏色變黃，而在之后的老化期間由對(duì)苯醌生成對(duì)苯酚的反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，使得材料變黃的程度變?nèi)?。在氙燈加速老化過(guò)程中，從加速老化300小時(shí)后b*參數(shù)值一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是因?yàn)榧铀倮匣?00小時(shí)后竹纖維中木質(zhì)素的光降解反應(yīng)直接進(jìn)入由對(duì)苯醌生色基團(tuán)向?qū)Ρ椒愚D(zhuǎn)變?yōu)橹鲗?dǎo)的階段。
　　論文采用旋轉(zhuǎn)流變儀，研究比較老化對(duì)發(fā)泡聚丙烯與竹粉/PP發(fā)泡復(fù)

6、合材料流變性能的影響。結(jié)果表明，自然老化后兩種材料線性粘彈區(qū)變短，而且儲(chǔ)能模量與損耗模量隨著老化不斷降低。老化后發(fā)泡聚丙烯的相對(duì)分子量減少，PI值由1.541下降為1.248，黏流活化能由40.89KJ·mol-1上升為63.32 KJ·mol-1，說(shuō)明高分子在光降解過(guò)程中斷鏈反應(yīng)居于主導(dǎo)；而發(fā)泡復(fù)合材料的分子量同樣減少，但PI值由1.495上升為1.731，黏流活化能由55.13 KJ·mol-1下降為42.01 KJ·mol-1，表

7、明隨著竹粉的加入，復(fù)合材料的光降解過(guò)程中高分子基體斷鏈反應(yīng)效果被弱化，促使交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，這在一定程度上有利于復(fù)合材料老化后剩余強(qiáng)度的保留。加速老化前后材料流變行為分析結(jié)果基本與自然老化的結(jié)果相似，發(fā)泡聚丙烯的PI值由1.541下降為1.368，黏流活化能由40.89KJ·mol-1上升為105.38 KJ·mol-1；發(fā)泡復(fù)合材料的PI值由1.495上升為1.578，黏流活化能由55.13 KJ·mol-1下降為50.76 KJ·mo

8、l-1。
　　論文研究了發(fā)泡聚丙烯與竹粉/PP發(fā)泡復(fù)合材料老化前后表面形貌與表面化學(xué)性質(zhì)的變化。經(jīng)由ESEM觀察發(fā)現(xiàn)自然老化與氙燈加速老化后材料表面破壞明顯，隨著竹粉含量的增加，材料表面面裂縫愈加明顯，且竹纖維暴露出來(lái)的現(xiàn)象更加普遍，而凍融循環(huán)老化對(duì)材料表面幾乎無(wú)影響。FTIR與XPS分析結(jié)果表明，聚丙烯與復(fù)合材料的表面經(jīng)歷老化后表面的羰基基團(tuán)吸收明顯增強(qiáng)，老化聚丙烯表面的C1s結(jié)合能中C2結(jié)合鍵比例增加明顯，而復(fù)合材料表面則以C

9、3結(jié)合鍵比例增加明顯，兩者表面的Cox/unox值均上升，表明材料表面氧化程度加強(qiáng)。發(fā)泡復(fù)合材料表面的老化由表面高分子層的破壞降解開(kāi)始，隨后是暴露出來(lái)竹纖維的老化褪色。
　　論文還考察了老化后竹粉/PP發(fā)泡復(fù)合材料熱學(xué)穩(wěn)定性的變化。熱重分析的結(jié)果表明發(fā)泡復(fù)合材料在自然老化與氙燈加速老化后初始失重溫度明顯下降，材料熱穩(wěn)定性有所下降，而凍融循環(huán)老化對(duì)于發(fā)泡復(fù)合材料熱穩(wěn)定性影響不明顯。
　　最后，論文研究了抗老化助劑對(duì)竹粉/PP發(fā)

10、泡復(fù)合材料老化性能的影響，結(jié)果表明，抗氧化劑有利于材料彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性與熱穩(wěn)定性的保持，相對(duì)分子量越高抗氧化劑（抗氧化劑1010）效果越明顯，但是其不利于材料顏色、密度以及表面形貌的保持。紫外線吸收劑（UV531）對(duì)材料顏色、密度以及表面形貌有較好的防護(hù)效果，但防護(hù)物理力學(xué)性能損失方面效果較弱。自由基捕捉劑對(duì)發(fā)泡復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的損失沒(méi)有較好的抑制效果，對(duì)于沖擊韌性、密度與熱穩(wěn)定性則有較好的保持，自由基捕捉劑對(duì)于阻止材料整體的顏色變化