植物单根纤维拉伸性能测试与评价

论文摘要

植物单根纤维力学性能测量是当今木材科学领域的一项前沿技术,是在细胞水平上对单个的管胞或纤维直接进行轴向拉伸的技术。单根纤维尺寸微小,测量困难,被认为是一项国际性的难题。竹木单根纤维力学研究是引导竹木材等生物质材料力学性质研究走向深入的手段,可以将生物质材料力学研究从宏观提升到细胞水平,实现从微观层面研究材料宏观力学特性及其影响因素,对于最终把握竹木材力学性质的本质起源有重要意义;可以满足在竹木纤维基高分子复合材料研究中,对作为增强相的竹木纤维力学性能数据的迫切需求,为纤维选择性利用提供科学依据,指导产品制造工艺设计与改进,促进产品性能的优化。还能为人工林竹木材材性的基因改良提供量化的目标和指标,具有重要的现实和理论意义。单根纤维力学性能测试在国内属开创性课题,本研究在总结了前人研究的基础上,进行了单根纤维微拉伸力学性能测试技术的研究。在此基础上,研究了不同竹龄(2、4、6年生)毛竹中部靠近竹青的竹肉部分的单根纤维、30年生杉木幼龄材(第5年轮)、成熟材(第25年轮)晚材管胞力学性能,测量指标包括断裂载荷、横截面面积、拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率;对比研究了不同植物(毛竹、杉木、苎麻、洋麻)单根纤维力学性能;研究了不同测试环境湿度(40%、70%、90%)下,不同纤维(毛竹、杉木、苎麻、芳纶)力学性能对湿度的敏感性;探索性的研究了不同处理洋麻单根纤维的力学性能。通过研究取得主要结论如下:1、毛竹、杉木单根纤维力学性能(1)不同竹龄毛竹中部靠近竹青的竹肉部分微纤丝角相差不大,2、4、6年生分别为9.91°、9.61°、9.76°,不同竹龄毛竹微纤丝角相差不大,只是2年生微纤丝角比4、6年生略大。30年生杉木幼龄材与成熟材微纤丝角分别为34.88°、15.21°,相差很大。(2)2、4、6年生毛竹中部靠近竹青的竹肉部分的单根纤维拉伸强度、弹性模量、伸长率分别为1590MPa、1710MPa、1755MPa;23.6GPa、27.1GPa、26.4GPa;7.2%、7.0%、7.0%。纤维的力学性能随竹龄略有增加,但到第4年后,纤维基本达到成熟, 4年生与6年生纤维无论是在拉伸强度、弹性模量,还是在伸长率上都已非常接近。(3)30年生杉木幼龄材与成熟材晚材管胞力学性能差异显著,拉伸强度分别为558MPa、1258MPa,弹性模量分别为8.5GPa、19.9GPa,均相差在两倍以上;断裂伸长率分别为9.9%、6.6%,也相差了50%。且成熟材管胞表现出了较强的线弹性特性,而幼龄材管胞在拉伸过程中则表现了明显的塑性屈服阶段。这与微纤丝角及纹孔有关。(4)毛竹纤维在拉伸强度、弹性模量等方面的性能明显优于杉木纤维,更适合于作为增强相用在复合材料中。2、几种植物单根纤维力学性能比较研究(1)毛竹单根纤维(为4年生中部靠近竹青的竹肉部分的纤维)断裂强度最大,平均值达1710MPa,最大达2708MPa,杉木(为30年生第25年轮晚材管胞)与其他三种纤维拉伸强度差异显著;苎麻纤维断裂伸长率最大,为8.9%,柔韧性最好;而洋麻纤维断裂伸长率明显小于其他三种纤维,只有3.2%,但其弹性模量值却明显高于其他三种纤维,平均达30.8GPa,最大达42.3GPa,刚性最大,是一种脆性纤维。(2)毛竹、杉木、苎麻、洋麻纤维断裂形式存在一定差异,其中苎麻纤维,毛竹纤维、杉木纤维的断口形状大多呈斜齿形,断口粗糙,表现明显的韧性断裂特性。因此这三种纤维的断裂伸长率较大。杉木纤维一般断在纹孔比较密集或者有其他结构缺陷的地方。洋麻纤维的断口相对上述三种纤维则平滑的多,表现出较强的脆性断裂特性。这与洋麻纤维较低的平均断裂伸长率的测试结果是一致的。(3)毛竹、杉木、洋麻、苎麻这四种纤维在纤维形貌、拉伸强度、伸长率、弹性模量、断裂形式等方面均呈现出其各自的特点,了解这些差异有利于我们更合理有效地利用好这些宝贵的资源。3、单根纤维力学性能对水分依赖特性(1)杉木(为30年生第25年轮晚材管胞)、毛竹(为4年生中部靠近竹青的竹肉部分的纤维)、苎麻、芳纶纤维力学性能对湿度变化的敏感程度不同,苎麻纤维对湿度变化最为敏感,而芳纶纤维几乎不感应外界湿度的变化。(2)与40%环境湿度下比,70%环境湿度下,毛竹、杉木、苎麻这几种天然纤维弹性模量均有所增大,90%环境湿度下却均有所下降。而芳纶纤维作为人造化学纤维,结构均匀、性能稳定,对外界湿度变化不敏感。4、不同处理洋麻单根纤维力学性能(1)离析温度对洋麻纤维力学性能影响较大,110℃下离析所得洋麻纤维力学性能优于160℃下离析所得洋麻纤维。它们的纤维平均断裂强度分别为1051MPa、810MPa;平均弹性模量分别为23.6GPa、13.5GPa,平均伸长率分别为4.5%、5.6%,均差异显著;在纤维形态上也存在一定差异,纤维的横截面面积分别为187μm2、141μm2。(2)100℃及160℃下纳米改性的洋麻纤维力学性能几乎不存在差异,只是在纤维形态上略有变化。它们的平均断裂强度分别为1001MPa、1032MPa,平均弹性模量分别为14.7GPa、14.6GPa,平均伸长率分别为6.6%、6.9%;纤维的横截面面积分别为150μm2、124μm2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 单根纤维拉伸技术研究进展
• 1.1.1 国外研究进展
• 1.1.2 国内研究进展
• 1.2 单根纤维力学性能研究意义
• 1.3 单根纤维力学性能影响因素
• 1.3.1 微纤丝角的影响
• 1.3.2 缺陷的影响
• 1.3.3 化学组成的影响
• 1.3.4 含水率的影响
• 1.4 研究的目的
• 1.5 研究的主要内容
• 1.6 项目支持与经费来源
• 第二章 单纤维拉伸测试技术及设备
• 2.1 测试仪器
• 2.1.1 高精度短纤维力学性能测试仪SF-Microtester I
• 2.1.2 激光扫描共聚焦显微镜CLSM
• 2.1.3 粉末X 射线衍射仪
• 2.2 测试方法及步骤
• 2.2.1 纤维离析
• 2.2.2 拉伸样品制备
• 2.2.3 拉伸强度测试
• 2.2.4 纤维横截面面积测量
• 2.2.5 结果计算
• 第三章 毛竹、杉木单根纤维力学性能
• 3.1 不同竹龄毛竹单根纤维力学性能
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验方法
• 3.1.3 结果与讨论
• 3.2 杉木幼龄材与成熟材晚材管胞力学性能
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.2.4 结果与讨论
• 3.3 毛竹与杉木单根纤维力学性能对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 几种植物单根纤维力学性能比较研究
• 4.1 试验材料
• 4.2 测试方法
• 4.3 结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 单根纤维力学性能对水分依赖特性
• 5.1 试验材料
• 5.2 试验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 不同处理洋麻单根纤维力学性能
• 6.1 试验材料
• 6.2 试验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 离析温度对洋麻纤维力学性能的影响
• 6.3.2 纳米改性过程中温度对纤维力学性能的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结论
• 7.1 毛竹、杉木单根纤维力学性能
• 7.2 几种植物单根纤维力学性能比较研究
• 7.3 单根纤维力学性能对水分依赖特性
• 7.4 不同处理洋麻单根纤维力学性能
• 7.5 单纤维拉伸测试改进意见
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间的学术研究