秸秆纤维/红粘土/聚丙烯三元复合发泡材料的制备及应用

【摘要】：二十一世纪,全球经济处于高速发展的阶段,工业、交通运输事业等的发展日益增加。与此同时,人类的生活环境因发展所受到污染也不断地倍增。目前,噪声污染已同水污染、空气污染一起被公认为当今世界的三大公害。其中噪音污染不仅严重危害人的听觉系统,损害心血管等问题,甚至对优生优育也有不同程度的影响。近年来高分子多孔吸音材料以其优异的吸声性能越来越受到人们的青睐。其中,聚丙烯发泡材料(PP)以其低密度、良好的耐热性能、力学性能、和良好的环境适应性等特点,而被广泛应用在在包装、汽车、热绝缘、建筑吸音等领域。 本文对秸秆填充PP发泡复合材料的制备工艺和性能进行了探索研究。通过在PP基体中依次填充60目、100目、200目的秸秆微粉,分别采用了微波辐射接枝、钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂处理等三种途径来改善秸秆与PP之间的界面相容性,并加入少量红粘土提高发泡成核能力。本实验首先将发泡剂偶氮二甲酰胺(AC),助发泡剂氧化锌,秸秆纤维,PP以及各种添加剂在双辊开炼机上充分共混均匀,严格控制混合温度和时间,然后在平板硫化机上发泡成型,制得红粘土/秸秆/聚丙烯复合型吸音发泡材料,最后将所得样品进行断面微观形貌分析和各种性能测试。 研究结果表明： (1)通过对秸秆纤维和复合发泡材料进行微观结构观察,可以看到未经处理的秸秆纤维表面光滑平整,经微波、偶联剂改性处理的植物纤维形成了较多微孔,并且表面凹凸不平,这种结构可以增加声波与孔隙壁发生二次或者多次非弹性碰撞,使声波的能量损失较多,有利于吸声；当添加3份发泡剂(AC)时,未处理的秸秆/PP复合材料的孔径不均匀,而且为不规则的多边形结构；而经改性处理的秸秆/PP复合材料则能得到不规则的孔径均匀的泡孔；在秸秆/聚丙烯复合材料中加入一定量的红粘土后,孔径缩小,而泡孔密度增大,并且呈不规则形貌,而当添加3份红粘土时,孔径则趋于均匀。 (2)对复合发泡材料表观密度和吸水率分析表明：随着发泡剂用量从1份增加到5份,复合发泡材料的表观密度先减小后增加,而吸水率呈现不断上升趋势。当AC发泡剂含量为3份时,复合发泡材料的表观密度达到最低；随着未改性秸秆纤维含量从0份增加到50份,复合发泡材料密度呈先下降后上升,而未改性秸秆/聚丙烯复合发泡材料的吸水率则呈现不断上升趋势。当未改性秸秆纤维组份为30份时,秸秆/聚丙烯复合发泡材料的表观密度最低为0.4827g/cm3；秸秆目数为200目时发泡材料的吸水率最小；经过改性处理后,复合发泡材料吸水率下降,其中钛酸酯偶联剂改性的秸秆/聚丙烯复合材料吸水率最低,为1.74%；随着红粘土组份从0份增加到5份,红粘土/秸秆/聚丙烯复合发泡材料的表观密度不断上升,最高达到0.5196g/cm3。 (3)对复合发泡材料吸声系数测试分析表明：随发泡剂用量从1份增加到5份,发泡复合材料的吸声性能在低频改善不明显,高频改善则较为明显。当发泡剂含量为3份的时改善效果最好,随着秸秆纤维含量从0份增加到50份,吸声系数在低频范围稍有提高,而在中高频(2000-4000Hz)效果更为明显,其中秸秆目数为100目时候,秸秆组份为30份是对中高频吸声效果更好,最高吸声系数可以达到0.35。而经钛酸酯联剂改性后秸秆/聚丙烯复合材料吸声性能更加优越,其最高吸声系数提高到0.55。添加红粘土后,秸秆/PP复合发泡材料在中低频吸声效果改善并不明显,而在高频区,则表现出较好的效果,当添加3份红粘土时,最大吸声系数增大至0.61,约为秸秆/聚丙烯复合材料的两倍；而红粘土分别经过KH550和钛酸酯偶联剂改性后,红粘土/秸秆/PP复合发泡材料在低、中、高频范围内吸声系数基本不变。 (4)随着秸秆纤维含量从0份增加到50份,聚丙烯复合发泡材料的拉伸性能和冲击性能有所下降,但下降幅度不大,基本上能保持较好的力学性能；经过偶联剂改性处理后的秸秆/聚丙烯复合发泡材料的拉伸性能较未处理的秸秆/聚丙烯复合发泡材料有不同程度的提高,其中经过KH550处理后的聚丙烯复合发泡材料增强效果最好,拉伸强度从未改性处理时的16.83MPa提高到20.11MPa,提高了19.5%；红粘土的加入对复合材料的拉伸性能也有一定的影响,当红粘土添加量0～5份时,随着投入量的增加,拉伸性能也逐渐从16.83MPa提高至18.61MPa,有10.6%的提高。 总体上,通过添加秸秆纤维不仅可以降低复合材料的表观密度,还可以提高聚丙烯复合发泡材料的中高频吸声性能。而微波、偶联剂的处理秸秆纤维,不仅提高了秸秆复合发泡材料的中高频吸声系数,而且也提高了复合发泡材料的拉伸性能。我们首次采用添加适量的超细红粘土,有利于秸秆/PP复合材料的发泡成核,得到更高泡孔密度的吸音材料,且力学性能也有所改善。本研究利用植物纤维与高分子材料复合制备出高效吸声材料,能减少石油化工材料的利用,并且复合发泡材料的可降解,对环境友好,植物纤维复合发泡材料在功能高分子领域有巨大的研究价值。 【关键词】：秸秆纤维 偶联剂改性 聚丙烯 红粘土 吸声系数
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 前言10-26
• 1.1 吸声材料概述10-12
• 1.1.1 多孔吸声材料分类10-11
• 1.1.2 多孔吸声材料吸声机理11-12
• 1.1.3 吸声系数12
• 1.2 聚丙烯基泡沫吸声材料12-15
• 1.2.1 聚丙烯泡沫性能12-13
• 1.2.2 聚丙烯改性13-15
• 1.3 植物纤维的组成对复合材料性能的影响15-18
• 1.3.1 植物纤维的组成与结构15-16
• 1.3.2 提高植物纤维复合材料界面相容性途径16-18
• 1.4 红粘土18-19
• 1.4.1 红粘土的微结构18-19
• 1.4.2 红粘土的组成及特性19
• 1.5 泡沫塑料发泡成核理论19-21
• 1.5.1 经典成核理论20
• 1.5.2 热点成核理论20-21
• 1.5.3 剪切成核理论21
• 1.6 聚丙烯泡沫塑料的应用21-23
• 1.6.1 包装材料21-22
• 1.6.2 汽车零部件22
• 1.6.3 保温材料22
• 1.6.4 建筑22-23
• 1.7 本研究的思路、内容与拟解决的问题23-26
• 1.7.1 本研究的思路23
• 1.7.2 本研究的主要内容23-24
• 1.7.3 拟解决的关键问题24-26
• 2 实验部分26-32
• 2.1 原材料26
• 2.2 主要设备和仪器26-27
• 2.3 实验方法27
• 2.4 秸秆纤维的改性处理及复合材料的制备27-29
• 2.4.1 秸秆纤维的改性处理27-28
• 2.4.2 红粘土的处理28-29
• 2.4.3 复合发泡材料的制备29
• 2.5 测试表征29-32
• 2.5.1 透射电镜扫描测试分析29
• 2.5.2 扫描电镜(SEM)测试分析29
• 2.5.3 表观密度测试分析29-30
• 2.5.4 吸水率测试分析30
• 2.5.5 驻波管法吸声系数测试分析30-31
• 2.5.6 力学性能测试分析31-32
• 3 结果与讨论32-54
• 3.1 秸秆对聚丙烯复合发泡材料微观结构及性能的影响32-43
• 3.1.1 秸秆/聚丙烯发泡材料中的微观结构32-34
• 3.1.2 秸秆含量对聚丙烯复合发泡材料表观密度的影响34-35
• 3.1.3 秸秆对聚丙烯复合发泡材料吸水率的影响35-37
• 3.1.4 秸秆对聚丙烯复合发泡材料吸声性能的影响37-40
• 3.1.5 秸秆对聚丙烯复合发泡材料的力学性能影响40-43
• 3.2 发泡剂含量对秸秆/聚丙烯复合材料的微观结构及性能影响43-47
• 3.2.1 发泡剂含量对秸秆/聚丙烯复合发泡材料泡孔形态的影响43-44
• 3.2.2 发泡剂含量对秸秆/聚丙烯复合材料表观密度的影响44-45
• 3.2.3 发泡剂对秸秆/聚丙烯复合发泡材料吸水率的影响45-46
• 3.2.4 发泡剂对复合材料吸声系数的影响46-47
• 3.3 红粘土对秸秆/聚丙烯复合发泡材料微观结构与性能的影响47-54
• 3.3.1 红粘土的微观结构47
• 3.3.2 红粘土对秸秆/聚丙烯复合发泡材料泡孔结构影响47-48
• 3.3.3 红粘土对聚丙烯复合发泡材料表观密度的影响48-49
• 3.3.4 红粘土对聚丙烯复合发泡材料吸水率的影响49-51
• 3.3.5 红粘土对聚丙烯复合发泡材料吸声性能的影响51-53
• 3.3.6 红粘土聚丙烯复合发泡材料力学性能的影响53-54
• 4 结论与展望54-57
• 4.1 结论54-55
• 4.2 创新之处55-56
• 4.3 展望56-57
• 参考文献57-61
• 附录一61-62
• 附录二 术语说明62-63
• 在学期间发表的学术论文及科研成果63-64
• 致谢64

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