评价水扩散机制在聚丙烯复合材料的力学性能

文摘

本研究评估水扩散机制在聚丙烯增强复合材料的力学性能。复合的复合材料表进行了使用压缩成型技术,通过融合不同重量百分比的纤维和聚丙烯。复合材料的力学性能评估根据ASTM标准,而复合断裂表面使用扫描电子显微镜检查。水吸收行为和扩散机制制造复合材料的力学性能进行分析使用水浸泡试验和Fickian扩散模型。结果表明,干燥条件下所有聚丙烯增强复合材料的力学性能高于湿状态。7 wt的复合材料增强。% (KOH和氢氧化钠)纤维遵循一个一致的趋势,给最高拉伸强度和拉伸模量相比,纯PP(聚丙烯)。添加到聚丙烯纤维矩阵逐步降低复合材料冲击强度与例外3 wt。wt %和5。%复合材料。增强复合材料的硬度性能稳步上升随着纤维载荷的增加意味着强烈fiber-matrix键。 The percentage of water absorbed for all reinforced composites increased as the fiber weight increases and slowly flattened off after 10 days of saturation. The morphological study revealed fiber pullout and delamination of reinforced composites attributed to poor fiber-matrix adhesion amount to water intake. The diffusion transport mechanism of polypropylene composites was observed to obey the Fickian diffusion model.

1。介绍

如今,新颖的聚合物复合材料的发展源于自然和合成纤维在复合材料行业经历了一个了不起的进步和国内使用(1]。天然纤维衍生品从木材、麻、洋麻正在逐步取代保守的玻璃纤维和nonrecyclable纤维由于其独特的力学性能,环保、丰富,低成本和可再生2]。它们广泛应用于复合材料制造、制造业,国内使用(3- - - - - -5]。天然纤维在本质上是亲水的,目睹了重大挫折高分子复合材料由于其羟基的存在如木质素,纤维素,蜡6]。这些羟基和其他纤维成分有助于他们的亲水性质和毫不费力地吸收水分,使他们难以坚持强矩阵的接口。然而,近年来,一直在努力探索用化学疗法消除这些羟基氢键在纤维素溶解的化合物(7]。这个目标减少纤维吸湿和随后促进矩阵和增援间附着力好8,9]。同时,纤维增强聚合物复合材料吸水吸收导致贫穷的压力转移,聚合物降解,尺寸不稳定和有害影响有助于复合材料结构可靠性和性能(10,11]。水分子复合材料内部发生的运动扩散机制。菲克定律是一个模型用于预测相当多的扩散机制的聚合物复合材料由于其简单12]。一般来说,Fickian定律下,水分子的扩散复合材料被认为是由三个类别的机制(13]包括流动的水分子在聚合物链的微裂隙,运输水分子通过毛细管腔和孔隙中创建fiber-matrix接口(14,15),最后肿胀的整体效应的复合材料的微孔内扩散复合矩阵(15]。一些努力已经调查预测水吸收摄入聚丙烯复合材料使用各种技术(16]。Mat-Shayuti et al。17]研究了吸水特性的影响与聚碳酸酯和聚丙烯增强得出复合材料建立了聚丙烯和聚碳酸酯之间过渡的吸收值。同样,减少水的吸收增强复合材料是观察与无筋聚合物。Hernandez-Diaz et al。18)评估了冲击强度和吸水特性报纸回收聚丙烯复合材料。观察结果表明,冲击性能降低,而吸水率与木质纤维素含量增加,吸收和观察复合材料的扩散机制遵循Fickian法律。鲍里斯et al。19]研究了石膏的水吸附特性和扩散机制Rhecktophyllum camerunense纤维复合材料。结果表明,初期动力学吸附稳步增加,开始进行饱和后28小时,随后注意到水分扩散机制并不遵循菲克定律。王等人。20.]研究了吸水的影响和行为行为对聚丙烯的力学性能与木粉。结果得出的结论是,机械性能如抗拉强度和模量减少而干燥的标本。发现了水分子的扩散机制复合材料逐渐增加,遵守Fickian法律。Stamboulis和柏丽21]研究了亚麻纤维和环境退化的影响报道Duralin亚麻纤维的吸湿性和相当大的减少与未经处理的纤维相比,对力学性能的影响。亚麻纤维的水吸收绿色亚麻纤维的低30%。因此,必须研究聚丙烯增强的水化现象Entada mannii纤维使用Fickian模型来预测水吸收和提高焊接结构的矩阵。然而,Entada mannii植物是一种藤本植物植物和主干登山者,便在他们的主人。植物茎的结构安排的纤维束内树皮干细胞(22]。树皮纤维缠绕在茎,增强植物的抗弯和抗扭强度的系统。同样,这种植物的另一个重要特征是水的供应通过毛细管技术的上部植物系统。因此,本研究旨在探索这个梦想。因此,鼓励大型使用新型聚合物复合材料在工业和国内使用,是至关重要的检查polypropylene-based复合材料的吸湿对力学性能的影响。同样,它的吸水机理进行研究是至关重要的考虑水分扩散动力学及其毛细管水分子运输到聚合物基质界面产生强大的复合材料。因此,研究的目的是评价水扩散机制和吸收特征对聚丙烯复合材料的力学性能。

2。材料和方法

2.1。材料

这项研究的材料利用聚丙烯均聚物的密度0.91克/厘米³和熔体流动速率的250°C / 2.10公斤;500克的顺丁烯二酸酐聚丙烯MAAP颗粒是由Safripol,南非;500公斤的Entada mannii纤维从帕斯托状态了,尼日利亚。聚四氟乙烯表作为释放剂,用蒸馏水浸泡试验的水介质。

2.2。方法

2.2.1。提取纤维

纤维提取的纤维束的传统手剥离方法。提取的纤维收集和晒干的2天,之后他们分开外国材料和干在烤箱65°C 24小时正常删除纤维水分。的Entada mannii纤维植物和手剥纤维提出了数字1(一)和1 (b)。复合材料制造是呈现在图2和表1显示了复合材料百分比变化和代码。

2.2.2。提取的纤维

未经处理的纤维被放置在一个水浴含有5% KOH和氢氧化钠的解决方案和治疗4小时50°C。获得的治疗纤维delignified,后用蒸馏水洗净,以消除剩余的碱性纤维内。干燥的纤维在烤箱在65°C进行24小时,然后用塑料袋逃避从环境中吸收水分。纤维成分组成、木质素、半纤维素和纤维素在桌子上2,使用中性洗涤剂纤维方法测定了Balogun et al。23]。

2.3。复合材料的生产

KOH -和NaOH-treated纤维重量1%,3%,5%,7%是切成3毫米长度和宾州增容剂与聚丙烯混合和5%。这些组合后来干在65°C air-circulated烤箱前4小时避免吸湿挤压使用双螺杆挤出机模型TSJ-20B由南京腾达设备有限,中国。在挤压过程中,温度调节,避免纤维降解(130°C - 190°C)最高温度区域与模具温度(240 - 260°C)和螺丝120转速/分钟的速度。后来,挤出物被转移到一个工业造粒减少纤维复合材料的尺寸2毫米到4毫米,分别。粒状标本制成表尺寸 使用压缩成型机150 MPa的压力为12分钟达到190°C纤维均匀分布的复合矩阵。开发复合材料被存储在一个烤箱60°C,以避免水分接触。

2.4。测定复合材料的力学性能

干和湿复合材料试样的拉伸试验进行了英斯特朗拉力试验机在根据ASTM 680 D (24]。英斯特朗机的负载细胞15 kN 5毫米/分钟的速度。进行了测试以确定拉伸性能和复合材料的弹性模量。六个重复样本 进行了测试,记录获得的平均值。复合材料冲击试验是进行悬臂梁式冲击试验机根据ISO 180标准(25]。复合试样的尺寸 缺口冲击试验机加载,被摆头7.5 J的速度3.5米/秒。六个样品同时进行,记录平均值。的硬度性能的复合材料进行布氏硬度试验机的应用负载10 N和测量每个样品上压痕。缩进的平均计算,平均被记录。

2.5。复合材料的扫描电镜

吸水率的影响在扫描电子显微镜标本形态为特征的模型JEOL地产- 7600 f。从拉伸试验获得的样本被用来研究水分摄入量的影响。标本被放置在真空室和分层100铱JEOL溅射。

2.6。吸水试验

吸水试验进行了按照ASTM D570 [26]。标本获得拉伸测试是放置在一个烤箱在65°C 2天。样品干燥后称重,记录初始值。浸泡在纯净水在25°C,和样品后来远离潮湿的环境和清洁使用干抹布和反复权衡之后的10天。24小时间隔的标本是定期称重和216 h,直到试样达到饱和的峰值。相反,聚合物的吸水试验计算使用方程(1)。

在哪里吸水率,和烘干重量和时间后试样的重量吗 ,分别。

2.7。聚合物复合材料的扩散动力学机制

水吸收的扩散机制是使用动力参数计算斜率( )和拦截( )通过使用下列方程(2)和(3)[27]。

在哪里在吸水时间吗 , 在饱和吸水,有关聚合物网络结构是一个常数,然后呢是释放指数决定扩散的类型。

3所示。结果与讨论

3.1。吸湿性复合材料拉伸行为的影响

增强聚丙烯复合材料的拉伸性能Entada mannii纤维和纯PP呈现在图3。很明显,所有开发的复合材料的拉伸强度比纯聚丙烯高。同样观察到的是,KA4和NB4 (7 wt。% KOH和氢氧化钠)增强复合材料的抗拉强度最高82.3 MPa和74.45 MPa,分别和显著增加58%和55%纯PP。这种改进是归因于碱治疗的效果,增强纤维组件(如蜡,半纤维素和木质素造成了贫穷fiber-matrix界面粘结。此外,有效应力分布的matrix-reinforcement改善了界面结合强度的复合材料(28]。纤维增强复合材料的拉伸模量和纯PP呈现在图4。是观察到的拉伸模量随纤维载荷的增加而减小。这一趋势是明显的增强复合材料由于相对贫穷的附着力fiber-matrix导致增强聚丙烯复合材料吸收水分比空缺(29日]。也观察到复合界面内产生微裂隙的存在会导致肿胀压力通过激活毛细管机制通过矩阵接口。然而,这些纤维吸收水分含量越高,由于疏水性,随后袭击了粘结性能的聚合物复合材料。

此外,表3提出了比例降低抗拉强度在干态和湿态条件下的复合材料。可以看出所有湿条件下复合材料的抗拉强度与干标本相比显著降低。在制作复合材料中,KA4和NB4最高比例与其他同行相比,抗拉强度降低。这是归功于纤维体积的增加导致贫穷fiber-matrix通过创建界面粘结应力和湿条件下更高的水分扩散成复合材料。显然,水分摄入量影响弱界面纤维与基体之间粘连导致低拉伸值的组合30.]。湿润的比例增加由于羟基的存在Entada mannii纤维导致更高的亲和力水分吸收和看似导致减少粘结强度与纯PP。一般来说,随着纤维体积的增加,复合材料的拉伸行为预期的下降是由于增加的吸水量造成的剪切应力,增加了纤维素纤维肿胀31日]。

3.2。影响行为的复合材料吸水性能的影响

增强聚丙烯复合材料的冲击强度Entada mannii纤维和纯PP呈现在图5。实验研究表明,所有增强复合材料的冲击强度逐渐降低,纤维重量增加而例外KA2 NB3复合材料,分别。随着纤维重量的增加,冲击强度下降归结贫穷fiber-matrix在复合材料界面粘结。另一方面,KA2和NB3有最好的冲击强度与其他同行相比。这个卡和KA4也观察到同样的趋势,分别与纤维负载的增加。改善在很大程度上归因于均匀分布的纤维与基体界面促进复合材料能够承受剪切应力比纯粹的页表4说明了比例减少增强复合材料的冲击强度和纯PP在干燥和潮湿的条件。结果表明,所有观察增强复合材料的冲击强度下降在潮湿的条件下与干燥条件。平均KA4和NB4复合材料有更高的亲和力吸收水分和经历了更高比例的减少冲击强度与其他同行相比。这意味着纤维复合材料的重量的增加是由于亲和吸收水分高于纯PP (32]。同样,空洞的存在中创建复合界面允许水分子毫不费力地渗透fiber-matrix接口。

3.3。硬度性能的复合材料

聚丙烯的硬度性能增强Entada mannii纤维和纯PP呈现在图6。结果显示,复合材料的硬度性能与纤维的重量百分比增加。装配式复合材料中,KA4复合材料和NB4复合材料的硬度值增加了48%和44%,相比之下,纯PP。硬度值的增加归因于均匀分布的纤维基质界面中增加了复合刚度。然而,这种改进温和派复合材料和对裂纹扩展当负载应用。硬度试验的比较结果提出了在干态和湿态条件下表5。结果表明,在潮湿的条件下,观察轻微降低硬度性能的装配式复合材料与干燥条件。然而,硬度下降百分比属性更高KA4和NB3分别,而干燥的标本。同样,KOH聚丙烯复合材料的百分比减少硬度性能比氢氧化钠改善聚丙烯复合材料由于蜡和杂质的有效去除。这也提高了物理化学性质和纤维和基体之间的界面粘结,防止水渗透复合材料。

3.4。SEM吸水后的复合材料

的扫描电镜分析与KOH和氢氧化钠纤维增强聚丙烯复合材料在潮湿的条件下提出了数字7和8。对图7,结果显示骨折KA1表面,KA2, KA4复合材料是由纤维特征撤军和纤维脱胶,分别高水分吸收直到达到饱和点。显然,高纤维撤军观察与KA4复合材料纤维重量7%吸收水分由于微弱的债券存在于产生裂缝和复合材料分层的复合材料(31日- - - - - -33]。由于持续肿胀与纤维复合材料重量增加,复合材料承受机械负荷观察骨折较低的值如表所示3。因此,复合材料不断暴露于水分,可以看出高纤维素纤维吸收水分并接受矩阵产生由于扩张fiber-matrix边界剪切应力的界面如图8。NB1和NB4复合材料连续接触潮湿的环境损害的结构完整性,增加纤维撤军和复合材料分层(34,35]。这解释了降低湿样品的力学性能与干燥的标本在表3。然而,观察表面均匀NB2纤维增强复合材料与其他同行相比。

3.5。吸水复合材料的行为

的吸水阴谋KOH-treated纤维增强复合材料和纯时间呈现在图9。显然,水分吸收所有复合材料的数量增加而增加重量百分比和时间达到饱和的峰值水平。可以看出KA4体重增加湿条件下最高其次是KA2和至少与纯PP。这可能是归功于纤维重量百分数的增加和减少fiber-matrix结合引发的行为增强聚合物复合材料比纯PP吸收水(36]。此外,纤维的吸湿性治疗后随KOH-treated复合材料创建的毛孔和破坏纤维暴露表面的纤维表面积相比,纯PP。类似的工作是研究[37),香蕉纤维的影响治疗机械环氧复合材料。他们的研究结果表明,碱处理后香蕉纤维复合材料,吸湿性随纤维内容。因此,这个建议Entada mannii纤维增强复合材料更亲水疏水相比,纯PP。相反,添加5 wt。% MAPP增容剂降低了纤维与水接触归因于攻读硕士学位之间的化学键和纤维素38]。很明显,所有复合材料的吸水率随着浸泡时间增加,达到平衡后10天(216小时),称为吸水饱和。

增强聚丙烯复合材料的吸水特性与氢氧化钠处理和纯PP呈现在图10。显然,氢氧化钠处理的复合材料的吸湿率与增加纤维强化加载与纯PP。观察到NB4, NB3,和NB2复合材料经历了水分吸收由于更高的纤维素含量最高,高亲和吸收水分与纯PP。然而,这意味着随着纤维重量的增加,Entada mannii化学处理后纤维吸收水分含量有前景造成不完全溶解纤维素半纤维素,加强内容(39,40]。此外,治疗后纤维表面暴露,原纤结构改变导致贫穷fiber-matrix界面粘附在潮湿的条件下与纯PP (41]。10天的浸泡后获得了一个饱和点氢氧化钠处理和纯PP。

3.6。在复合材料水扩散机制

日志(的比较/)与日志( )KOH -与斜率和NaOH-treated纤维复合材料( )提出了数字复合扩散机制11和12。因此,在扩散过程中,水分吸收趋势拟合曲线,提出了数据Fickian扩散机制11和12,这个过程可以被视为Fickian扩散过程(42]。同样,流动的水分子的数量复合材料比复合截面较小的运动,Fickian扩散机制(我)是建立43]。在扩散过程中,的斜率决定机制 不是与时间有关,因此,获得的复合扩散速度异常(43,44]。随后,对于II扩散机制,的水平 它指定扩散过程的速度比适度的路线( ,系统通过放松来衡量),这个过程描述的改善边界扩大外部和内部滑复合的核心部分44,45]。边缘以稳定的速度发展,核心减少维度等待一个稳定的饱和水平复合内完成(46]。 表明non-Fickian(异常)复合材料的扩散机制,它定义了条件的扩散和放松的比例是相等的( )。因此,一个过渡Fickian和观察non-Fickian扩散之间的性能36]。超级例II扩散的动力学机理,获得了复合材料的价值 。此外,当 ,实现水分的潜在流量非常小,聚合物链还原速度,因此,流程遵守Fickian机制。然而,KA1 NB1聚合物复合材料和数据10和11显示之间的过渡特征机制Fickian non-Fickian扩散,尤其是扩散运动和聚合物部门放松点。因此,它是指出,随着水分吸收的质量分数的增加,纤维体积分数增加应付的消除纤维组件覆盖了纤维界面和随后增加纤维素含量(47]。相反,扩散系数( )卡,KA2 NB4 KA4,分别山坡约1.0或更高版本。这个指定的扩散机制听从超级二世,而水分子穿透复合材料的速度超过了关系的过程。因此,很明显,随着吸水率增加,扩散指数的值也增加。它因此可以表示,水分吸收复合材料的体积成正比的扩散指数( )因此影响扩散传输机制(48]。

的传输机制并给出了聚合物复合材料表6,而斜率值和拦截计算从方程(2)和(3)确定图的数据11和12,分别。同样,供水机制的手段Entada mannii综合提出了表7。复合材料的生产,显然,扩散系数的值( )NB2和购买力平价复合材料表7是大大小于0.5这意味着少Fickian传输机制。因此,下面的水分散率被认为是减少高分子链松弛(49]。复合材料的吸水安排展出Fickian行为,另一方面,随着浸泡时间的增加,复合材料观察跟随non-Fickian行为。的价值0.5的NB3-treated纤维增强复合材料被发现。这表明,流动的水分子的弥散在治疗复合比截面较小运动由于碱处理的纤维50]。

4所示。结论

吸水特性的影响和作用在增强聚丙烯复合材料Entada mannii被调查。结果表明,(我)增强复合材料的拉伸强度和拉伸模量和纯PP大大改善随着纤维负载的增加。7 wt。%纤维复合材料(KA4和NB4)观察遵循一个一致的趋势,最高拉伸强度和拉伸模量与纯PP(2)添加的Entada mannii纤维可以减少开发了复合材料的冲击强度与异常KA2 (3 wt。wt % KOH)和NB3 (5。分别为%氢氧化钠)。逐步增加硬度的装配式复合材料的属性Entada mannii纤维与纯PP。然而,KA4和NB4复合材料最高硬度值增加48%和44%,相比之下,纯PP(3)SEM分析表明,聚丙烯增强复合材料在潮湿的条件下以纤维撤军,脱胶,复合材料分层相比,纯PP(iv)随着荷载的增加,纤维的吸水量也增加的增强复合材料和纯PP复合材料。在制作复合材料中,7 wt。%(氢氧化钠和KOH)最高吸水比例与纯PP的价值。另一方面,与纯PP的自由体积减少,水渗透到复合材料的速度可以忽略与增强聚丙烯复合材料(v)所有复合材料后预测菲克定律,线性吸收的水量增加,逐渐达到饱和电平后平整

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者希望认识非洲网络(AMSEN)材料科学与工程,区域计划科学教育(上升),科学项目小组(SIG)的赞助,彼得Olubambi教授和教授c . M Khoathane的协作支持在我访问南非。Adeolu Adesoji Adediran承认具有里程碑意义的大学研究中心,创新和发展(LUCRID)的支持。

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