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响应面法优化竹/聚乙烯醇/粘土纳米复合材料 的配方与表征
摘要：本文研究了蒙脱土和聚乙烯醇（PVA）处理对竹增强纳米复合材料的物理、机械和热性能的影响。响应面法（RSM）用于开发预测纳米复合材料力学性能的模型，并优化了相变材料的改性。纳米复合材料的红外光谱（FTIR）表明聚合物和纳米粘土结合在结构中，XRD衍射图也表明制备的纳米复合材料的结晶度高于生竹。扫描电镜（SEM）图像表明，在形成纳米复合材料之后，未加工的竹子的内腔被聚合物和纳米粘土填充。与生竹相比，在制备的纳米复合材料中观察到改善的机械性能，其弹性模量（MOE）从7.82 GPa增加到17.32 GPa，而断裂模量（MOR）从68.67 MPa增加到118.74 MPa。弹性模量的最佳值为15.082 GPa，断裂模量的最佳值为96.879 MPa，R2系数为0.9999。通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）结果显示，与生竹相比，所制备的纳米复合材料具有更好的热性能。
关键词：竹子；优化；纳米复合材料；响应面方法；聚乙烯醇
1 介绍
现有的挑战是需要生产环保和低成本的复合材料来满足当今市场的需求。Lau等人的研究结果表明，由于高比刚度与重量比和比强度与重量比，复合材料在工程中有各种应用。与使用合成纤维相比，使用可生物降解的纤维生产经济有效的聚合物增强复合材料更有优势。对这种工程材料的需求催生了一个新的研究领域，即利用纳米技术应用天然纤维(如木材)来提升合成聚合物的功能和结构性能。许多研究者报告说，天然纤维的选择取决于其可生物降解、可回收和可持续的潜力。所得复合材料的最终特性通常取决于无机填料的性质、微观结构和组成，以及天然纤维微观结构的界面相互作用。Muhammad等人报告说，竹子的选择是基于这样的发现，即通过其可持续的高端质量工业产品和高强度重量比可以减轻消费者的需求，这使得它可以说是拉伸载荷应用中钢的一种有吸引力的替代物。
与传统的宏观和微观复合材料相比，纳米复合材料在机械、热、物理以及降低工程材料所需的组分重量方面显示出显著的改进。正如陈等人所指出的，选择合适的无机填料，通过有效的相互作用显著改变微结构，对于制备合适的纳米复合材料至关重要。Reddy和Essabir等人进行的研究表明，粘土是用作纳米填料的合适材料。与传统的填料聚合物相比，粘土纳米填料具有明显更好的物理和机械性能。在各种类型的粘土中选择蒙脱土作为纳米填料是由于它们的膨胀能力、高的表面-体积比、强的吸收/吸附性能以及其高含量的碱土金属和镁铁。此外，粘土纳米填料在聚合物工业中的应用源于天然纤维的加工、亮度和机械性能。Manalo等人报告说，竹纤维导致复合材料机械性能差的主要挑战是纤维内部的固有缺陷，这降低了它们与聚合物基质的相容性。Mousa等人、Gumares等人和Cheng等人报告说，通过在竹子中添加聚乙烯醇(PVA)和纳米纤维来解决这种不良相容性，从而提高其机械性能。另一种克服阻隔性能差和机械阻力低的挑战的方法是在纳米复合材料的形成中引入氢氧化钠，这引起了许多研究人员的注意，例如Chen等人、Zhang等人、Orue等人、Khan等人、 Fiore等人和Oushabi等人。
响应面法是一种统计工具，可用于优化实验条件，以实现最佳性能。多勒特设计(DD)、三水平因子设计(Box-Benhken设计)、三水平因子设计和中心复合设计(CCD)是众所周知的响应面方法。Vardhini等人采用响应面法优化氢氧化钠处理和香蕉纤维中木质素的去除率。Karuppusamy等人研究了碱处理对蔗渣纤维增强环氧复合材料的影响。他们得出结论，响应面模型是预测提高复合材料弯曲强度的最佳条件的准确工具。Manzato等人的一项研究报道，RSM用于确定提取纤维素的最佳参数，并得出结论，在氢氧化钠/次氯化钠比为1.2，2 h 和温度为45℃时，达到黄麻纤维纸浆的最佳提取条件。Rostamiyan等人开发了使用RSM预测杂化纳米复合材料拉伸和冲击强度的模型。与实验结果相比，模型给出了准确的数值Phua等人最近还通过使用RSM的理论模型对淀粉接枝聚丙烯/洋麻纤维复合材料的力学行为进行了研究。他们获得了预测值接近实验值的模型。Ghelich等人还开发并报道了用于设计和制备杂化纳米纤维的静电纺丝参数响应面模型。另一方面，Hassan等人利用响应面法的2因子函数研究了香蕉假茎增强环氧复合材料的拉伸性能。他们获得的结果显示，Rsup2;、调整后的Rsup2;和预测的Rsup2;的预测值和实验值非常一致。从各种研究来看，在纳米复合材料的制备中一次只研究一个因素是一个主要的缺点。这是因为它未能解决相关因素的相互作用，同时也给确定能够预测最佳响应的最佳值带来了困难。因此，本研究旨在利用真空浸渍技术制备竹纳米复合材料，并优化粘土负载量、氢氧化钠、聚乙烯醇和改性时间，建立用响应面分析法预测竹纳米复合材料弹性模量和断裂模量的模型。使用设计专家软件11.1.0研究了参数和优化的相互作用。基于响应面法结果选择的一些纳米复合材料被进一步表征以检查它们的物理化学、机械和形态行为。
2 实验过程
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