纳米纤维素增强仿贝壳结构黏土复合材料性能研究.pdf

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1、钐论坛FORUM纳米纤维素增强仿贝壳结构黏土复合材料性能研究赵艳文1，李云飞2，陈静1，叶宏军1，蒋蔚1，顾轶卓3(1．中航复合材料有限责任公司，北京101300；2．驻沈阳飞机工业(集团)公司军事代表处，沈阳110094；3．北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191)【摘要】以纳米纤维素为增强体，使用聚乙烯醇、淀粉和酪蛋白为高分子相，通过溶剂挥发法制备仿贝壳黏土复合材料。采用扫描电子显微镜和x射线衍射分别对复合材料的微观形貌和层间距进行表征，研究了高分子和纳米纤维素对黏土复合材料层间距的影响，分析了

2、高分子种类、纤维素对其力学性能的影响。结果表明高分子增加了黏土复合材料片层间距，但纳米纤维素对层间距影响不明显；纳米纤维素能有效增强高分子／黏土复合材料片层间的相互作用，从而提高材料的力学性能；黏土复合材料的力学性能增强程度与添加高分子材料种类和浓度有关。关键词：纳米纤维素；黏土；复合材料；高分子DoI：10．16080／j．issnl671．833x．2016．23124．042赵艳文中航复合材料有限责任公司工程师。主要从事复合材料研发工作。天然生物材料，如贝壳、骨等是生物体为了适应环境，逐渐进化而形成的具有高

3、度环境适应性的材料。独特的结构赋予其远超人工合成材42航空制造技术·2016年第2312．4期料的性能11-2]。受此启发，利用新型的合成策略来仿生设计结构材料和功能材料是近年来研究的热点，并已经成为化学、材料、生命和力学等学科交叉研究的前沿热点之一[3-41。在众多生物材料中，珍珠贝壳层由于其独特的结构、极高的强度和良好的韧性受到广泛的关注。贝壳珍珠层由文石片碳酸钙(约95％)和有机质(约5％)组成，其韧性是文石片的3000多倍【5l。这种超常的力学性能归因于贝壳珍珠层独特的多尺度、多级次“砖一泥”组装结构，但

4、是简单的“砖一泥”结构模型并不能完全解释试验测得的能量消耗。相关研究表明，当贝壳珍珠层发生形变或断裂时，无机相间的有机质发生塑性变形，同时由于有机相与无机相之间良好的黏结强度，使得珍珠贝壳层拥有极佳的韧性。近年来，这种特殊结构吸引了众多研究者对制备轻质、高强、超韧性层状复合材料的兴趣[6】，开发了一系列高强、超韧性层状仿生复合材料，并已应用到材料科学、机械和民用工程、航空航天等领域【J”。目前制备仿贝壳黏土复合材料的方法主要有层组装法(Layer—by—layermethodology，LBL)【8】、定向冻融法

5、(Directionalfreezing)【9】、电泳沉积法(Electrophoreticdeposition)”叫等。然而，这些方法普遍存在制备效率低下、产品质量不稳定等缺点【1”，很难应用于实际工业生产。相比于以上方法，溶剂挥发法是一种效率高、产品质量稳定，且具有大规模生产潜力的制备方法11210试验发现：随着黏土浓度增加，更易形成仿贝壳结构，所制得的复合材料的拉伸模量也随之提高，当黏土浓度超过一定数值后，复合材料的拉伸模量、拉伸强度均出现不同程度的下降，这是因为黏土浓度过高时，黏土在溶液中易团m。。唧。№

6、删。哪川。。。。㈨。舶先进材料加工与制造聚，复合材料中黏土分散不均匀，最终导致材料变脆，力学强度降低。向黏土溶液中加入一定量的高分子材料能增强材料的韧性，但引入过量的高分子将导致黏土复合材料力学性能降低。因此，降低高分子含量同时维持良好的力学性能是制备仿贝壳复合材料的关键。聚乙烯醇(PVA)、淀粉及酪蛋白是可降解的环保高分子材料。其中PVA是一种用途广泛的水溶性高分子，淀粉广泛存在于植物中，来源广泛，酪蛋白存在于哺乳动物的乳液中。这3种高分子材料的分子链中均含有大量的羟基或氨基，可以通过氢键与黏土复合材料片层形成

7、较强的作用力，是制备高分子／黏土复合材料理想的材料1131。纳米纤维素(CMF)由于其来源广泛、环境友好、优良的力学性能(拉伸模量139GPa，抗张强度达到1．9GPa)，在复合材料增强方面有很大的应用价值1141。本文以CMF为增强体，PVA、淀粉及酪蛋白为高分子相，通过溶剂挥发法制备黏土复合材料。表征了复合材料的微观结构，测试了复合材料的力学性能，分析了CMF含量对复合材料力学性能影响及产生这种影响的机理。该方法有望为大规模制备仿贝壳复合材料，提高复合材料力学性能提供新的研究思路。材料及试验方法1原材料纤维素

8、(CMF，Sigma—Aldrich)，聚乙烯醇(PVA，相对分子质量31000～50000，醇解度99％，Sigma—Aldrich)，可溶淀粉(Starch，Sigma—Aldrich)，酪蛋白(Casein，Sigma—Aldrich)，黏土(斑脱土，使用直径为60p。m筛子处理后备用)。2材料制备CMF溶液制备：纤维素加入一定量去离子水中并浸泡24h，然后加入到均