椰壳纤维中管纤维及其复合膜的拉伸行为表征

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1、学校代码:10255学号:2150136东华大学硕士学位论文椰壳纤维中管纤维及其复合膜的拉伸行为表征TENSILEBEHAVIORCHARACTERIZATIONOFTUBEFIBERANDITSCOMPOSITEFILMSINCOIRFIBER专业：纺织复合材料作者：水锋导师：于伟东答辩日期：2018年1月5日东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注孙宝忠教授答辩委员会主席东华大学张瑞云教授答辩委员会委员东华大学辛斌杰教授答辩委员会委员上海工程技术大学刘洪玲副教授答辩委员会委员东华大学姚澜副教授答辩委员会委员东华大学章倩助理研究员答辩委员会秘书东华大学东华大学

2、硕士学位论文摘要椰壳纤维中管纤维及其复合膜的拉伸行为表征摘要椰壳纤维资源丰富，但有关椰壳纤维及其管纤维结构及性能的研究还不是很完善，尤其是缺乏有效表征椰壳纤维力学性能的力学模型，对其应用也不甚合理。本文以椰壳纤维及其管纤维为研究对象，在明晰其结构的基础上，对其力学性能、断裂机理及纤维结构与力学性能间的关系进行了研究；通过建立针对椰壳纤维及其管纤维结构的力学模型，对椰壳纤维及其管纤维的力学行为进行分析与表征；以分离出的单根椰壳管纤维为增强体制备全纤维素复合膜并进行性能测试，以完善椰壳纤维的理论研究，拓展椰壳纤维应用范围。首先对椰壳纤维及其管纤维的长度、细度、化学组成等进行了测量与分析，

3、得出：椰壳纤维的长度为15～289mm，线密度为8.23～75.60tex，直径为80.8～340.7μm，且纤维长度-数量分布为对数正态分布，纤维的线密度与长度间为线性关系，直径与长度间为二次方的非线性关系。椰壳管纤维的的长度为81.04～1386.1μm，直径为4.41～20.37μm，管纤维长度-数量分布也为对数正态分布。椰壳纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为35.5%、24.1%和40.4%，椰壳纤维中含有较多的半纤维素，且木质素含量超过了纤维素含量。管纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为77.4%、5.7%和16.9%，管纤维纤维素含量显著提高。然后假设椰壳纤

4、维为若干根（n）单胞管纤维堆砌而成，且相互间的粘结体视为管纤维的外层基质作用，即管纤维为独立单元，而可将椰壳纤维视为一管纤维的力学行为。进行拉伸测试，并用扫描电镜SEM观察拉断截面，对椰壳纤维的变形机理进行讨论，得出：椰壳纤维拉伸曲线由线弹性区、平台区和增强区三部分组成，且拉伸曲线的三个阶段应变区间大小与纤维的断裂应变间不存在显著的线性关系。而管纤维拉伸曲线由线弹性区和平台区两部分组成，且平台区斜率较大。椰壳纤维的断裂强度、断裂应变、初始模量和断裂比功的平均值分别为93.02MPa、0.28、1.56GPa和17.34MPa，管纤维的断裂强度、断裂应变、初始模量和断裂比功的平均值分别

5、为157.48MPa、0.25、1.62GPa和20.62MPa，且椰壳纤维和管纤维各自的拉伸四参数间均不存在显著的线性关系。椰壳纤维的变形主要是扭转作用引起的螺旋角的减小和管纤维直径变小的结果，I东华大学硕士学位论文摘要而伸长是由螺旋晶带间基质的伸长、螺旋晶带螺旋角发生改变，晶带与基质分离，晶带扭转收缩造成的伸长和管纤维间基质的受力产生伸长三部分引起的，第二和第三部分起主要作用。管纤维的最终断裂是螺旋带无法承受较大的扭转作用而发生由外向内的撕裂的结果，管纤维的主要断口有两种，一种是螺旋带变形断裂，且向管纤维横截面的中心收缩；另一种是管纤维管壁的整体断裂。由此，再假设椰壳纤维为管纤维

6、，建立了椰壳纤维的多级结构模型，并在此基础上给出了针对椰壳纤维结构的四元件力学模型，与实测拉伸曲线进行拟合；同时与修正的Vangheluwe模型进行对比，得出：四元件模型与椰壳纤维实2测典型拉伸曲线的拟合相关度大于0.997，与修正的Vangheluwe模型相关度R=0.999相比，虽稍低一点，但在结构粘弹性质的一一对应上和在拉伸行为的起始线性段、屈服点和屈服后平台区的拟合上偏优，且能够估算出各部分的模量值和粘滞系数。而四元件结构元模型与管纤维的拉伸曲线的拟合相关度大于0.999，优于与椰壳纤维的拟合度0.997，理论曲线能够与管纤维实际拉伸行为曲线在两个线性或近似线性区很好地吻合，

7、且各部分模量和粘滞系数的估计值与管纤维的实测值更为接近，四元件结构模型对管纤维的表征更准确。最后采用碱氧化法成功分离出单根椰壳管纤维，并制得不同管纤维含量的椰壳管纤维增强纤维素复合膜，对管纤维和复合膜进行了形貌和性能测试，得出：椰壳管纤维能够与纤维素基体通过氢键结合，随着椰壳管纤维含量的增加，复合膜的结晶度增大，力学性能得到提升，而当椰壳管纤维含量过大时，复合膜的性能反而因管纤维的团聚而变差。当椰壳管纤维的含量为20%时，复合膜的性能最好，复合膜的断裂强度