微波改性秸秆纤维制备聚烯烃复合材料的研究

【摘要】： 秸秆是一种天然高分子材料,来源非常丰富,且价格低廉、密度低,具有良好的生物降解性。我国对秸秆的利用除用于造纸、牲畜饲料外,大多数通过掩埋、焚烧等方法处理掉,这不仅浪费资源,且污染环境。从环境保护和资源开发利用的角度出发,对植物秸秆经过一定的化学和机械处理,作为复合材料的增强材料在国内外已受到高度重视,并取得了一定进展。植物纤维复合材料(NFRP)结合了塑料和植物纤维的优点,而且对于解决能源短缺和环境污染有十分重要的意义,但是植物纤维与热塑性塑料之间的界面相容性和植物纤维在塑料基体中的分散性严重制约着这类复合材料的发展,因此需要对植物纤维进行处理,以改善其与塑料之间的界面相容性。 常用的秸秆改性处理方法有碱化处理法、酸化处理方法、氧化处理方法和物理处理方法等,但存在对环境污染大、耗能多、效率低等问题；而微波辐射处理具有干燥清洁、均匀、生产效率高、耗能少等特点,同时可以增大纤维表面粗糙度,降低纤维极性,有利于加强界面相互渗透深度和界面机械互锁。 本研究的主要目的是为了找到一种高效、环保且简单易行的方法来改善秸秆纤维表面的亲水性,提高秸秆纤维与热塑性塑料(如PE、PP等)的界面相容性,制备出性能优异,环境友好的绿色环保材料,从而能将秸秆纤维这一巨大的生物资源利用起来,同时尽可能的减小来自石油化工等非可再生资源的使用量,从而达到变废为宝、有限资源综合利用、保护环境的目的,为植物纤维复合材料在我国的工业化生产和应用作积极而有效的探索。 因此本文使用具有干燥清洁、均匀、生产效率高、耗能少等特点的微波辐射技术对秸秆纤维表面进行改性,达到增大纤维表面粗糙度,降低纤维极性的目的,并创新性的利用微波辐射将偶联剂接枝到植物纤维表面,以加强界面相互渗透深度和界面机械互锁。在此基础上运用过渡态理论设计出一种新型的利用偶联剂和界面改性剂复配使用的改性方法来处理秸秆纤维表面,也取得良好的实验结果。同时采用现代分析技术手段,如红外光谱分析(IR)、X-射线衍射(XRD)等表征和评价了微波对秸秆纤维表面改性效果及对其微观结构的影响；首次利用原子力显微镜(AFM)表征了改性秸秆纤维表面微观形貌和粗糙度的变化。通过混炼、热压等工艺制备改性植物纤维复合材料,测定了样条的力学性能,结合扫描电子显微镜(SEM)分析了复合材料界面组成,考察了界面改性剂的作用,最后针对秸秆纤维与高分子基体的界面复合机理进行了探讨。 研究结果表明： 1.未经微波处理的秸秆纤维表面比较光滑,平均粗糙度Ra为(86.7±6.335)nm,均方根粗糙度Rq为(141.1±9.055)nm；经微波处理的秸秆纤维表面比较粗糙,并出现许多细小孔洞,其平均粗糙度Ra为(445.0±28.14)nm,均方根粗糙度Rq为(558.9±33.458)nm,微波辐射处理前后秸秆纤维的表面形态差异较大。这说明微波辐射可以秸秆纤维表面粗糙程度增大,从而有利于与非极性高分子基体的复合。秸秆纤维的表面粗糙度对复合界面强度的影响主要表现在两个方面：在秸秆纤维与高分子基体能够形成良好润湿以及有利表面粗糙形态的前题下,表面粗糙度较大意味着可以在界面形成较深的界面扩散和机械互锁。 2.由XRD的结果可以看出,经微波辐射处理后,秸秆纤维在20=22.3°处的衍射峰移至21.8°,且峰宽稍有增加,在38.1°,44.3°,64.6°,78.9°处出现的4个衍射峰,除强度稍有增强,其峰形和位置与未经处理秸秆纤维的衍射峰基本一致,表明微波处理对纤维的结晶形态影响不大。 3.本研究中采用的几种表面改性方法对秸秆纤维表面亲水性均有较好的改善效果：微波接枝KH550组和CPVC/KH550组改性效果最佳,经微波／KH550处理后接触角0=95.68°,经CPVC/KH550处理后接触角0=98.96°,较未经任何处理的秸秆纤维的平衡接触角0=74.65°有着明显提高；微波／钛酸酯组对秸秆纤维表面亲水性的改善效果稍次之,经微波／钛酸丁酯处理后接触角0=91.44°,经微波／TAIC处理后接触角0=86.89°。秸秆纤维经过不同的表面处理后,接触角均变大。说明秸秆纤维表面的亲水性变小,疏水性增大,从而有利于改善与高分子基体的界面相容性。同样,改性后秸秆纤维表面能均有不同程度减小,其中经微波／KH550处理后秸秆纤维表面能最为接近HDPE基体；改善复合材料界面特性的一个重要的技术措施是对纤维材料和高分子基体表面性能的改进。有效改善纤维和高分子基体的表面能及表面极性状态,对于改善纤维与高分子基体表面分子的相容性是十分有效的。 4.FT-IR光谱表明微波处理样中未产生新的官能团,但分子间氢键及分子内氢键发生了变化。处理后秸秆纤维表面-OH减少而C-O-C连接增多,导致这一变化的原因可能是-OH在界面改性剂的条件下发生了脱水或者酯化,从而使秸秆纤维表面极性减弱,有利于秸秆纤维的复合。 5.从复合材料的SEM微观结构研究发现,未经处理的秸秆纤维表面光滑,与高分子基体相容性较差；经微波结合偶联技术处理后的植物纤维形成了大量微隙与孔洞,表面粗糙程度增大,在HDPE中纤维与高分子基体相容性良好,复合界面模糊,复合材料力学性能保持率也较高。处理后的秸秆纤维与塑料的复合材料断面,秸秆纤维与塑料结合得比较紧密,纤维表面粘满了塑料且粘结牢固,秸秆纤维在塑料间的混合也比较均匀,不易区分,并且在断面处有大量拉丝,说明纤维与塑料之间形成了比较致密的界面结合层,致使复合材料在断裂的时候裂缝不能在界面上发生,转移到了塑料内部,使拔出的纤维表面包裹着一层塑料。 6.从复合材料的性能来看,处理后的秸秆纤维比未处理的原料秸秆纤维在复合过程中使复合材料整体更容易塑化,流动性较好。从复合材料的综合力学性能来看,经微波接枝KH550改性组秸秆纤维的填充量高达60份时,其力学性能保持率仍在90%以上,说明微波接枝KH550对秸秆纤维与HDPE界面相容性的改性效果最好,而另外几种改性剂(钛酸酯、CPVC/KH550、CPE/KH550和TAIC/CPE等)改性后的秸秆纤维填充量在60份时,其力学性能保持率也均在80%以上,说明界面改性效果也很明显。在确定了偶联剂和界面改性剂最佳用量的基础上,且发现两种硅烷偶联剂与界面改性剂并用可以产生协同效应,进一步提高复合材料的界面相容性,有可能进一步提高植物纤维的填充量。 从以上结果可以看出,通过微波改性及界面偶联复合处理,能有效改善秸秆纤维表面的性质,极大增强与非极性烯烃的界面复合,使复合材料在较高填充量下仍能体现良好的综合性能。因此,通过本研究制备得到的秸秆纤维复合材料综合了植物纤维与塑料的性能特点,因而具有广泛的用途,同时本研究中所使用的微波接枝偶联剂技术的环保、高效等技术特点也将广泛应用于其他植物纤维改性。天然植物纤维复合材料的可回收和可降解等优良性能,将满足未来社会各领域,特别是在农业工程领域对复合材料性能的特殊要求,有利于保护环境,具有巨大市场潜力和发展前景。 【关键词】：秸秆纤维 微波辐射接枝 环境材料 结晶形态 化学结构
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-12
• 1 前言12-32
• 1.1 复合材料概述12-15
• 1.2 秸秆资源的利用及应用前景15-19
• 1.2.1 利用秸秆资源发展环境材料的重要意义15-16
• 1.2.2 秸秆纤维的组成及制备复合材料的优越性16-17
• 1.2.3 应用领域17-18
• 1.2.4 秸秆纤维复合材料的发展前景18-19
• 1.3 植物纤维聚合物基复合材料的性能特点19-22
• 1.3.1 植物纤维聚合物基复合材料的力学性能19
• 1.3.2 植物纤维复合材料力学性能的影响因素19-22
• 1.4 植物纤维复合材料的界面作用及机理22-25
• 1.4.1 界面的形成22-23
• 1.4.2 界面的作用23
• 1.4.3 界面机理23-25
• 1.5 秸秆纤维复合材料制备与应用中存在问题25-26
• 1.6 本研究的思路、内容与拟解决的问题26-32
• 1.6.1 本研究的思路26-30
• 1.6.2 本研究的主要内容30-31
• 1.6.3 拟解决的关键问题31-32
• 2 实验部分32-38
• 2.1 原材料32
• 2.2 主要设备和仪器32-33
• 2.3 秸秆纤维的改性处理及复合材料的制备33-35
• 2.3.1 秸秆纤维的改性处理33-34
• 2.3.2 秸秆纤维/HDPE复合材料的制备34-35
• 2.4 测试表征35-38
• 2.4.1 红外透射扫描测试分析35
• 2.4.2 结晶度(XRD)测试分析35
• 2.4.3 AFM样品制备与AFM测试分析35
• 2.4.4 扫描电镜(SEM)测试分析35-36
• 2.4.5 动态接触角和表面能分析36-37
• 2.4.6 力学性能测试分析37-38
• 3 结果与讨论38-64
• 3.1 改性秸秆纤维的微观结构38-45
• 3.1.1 微波辐射下秸秆纤维的化学结构变化38-40
• 3.1.2 微波辐射下秸秆纤维的结晶形态变化40
• 3.1.3 微波辐射下秸秆纤维的粗糙度的变化40-44
• 3.1.4 秸秆纤维处理前后的微观结构44-45
• 3.2 秸秆纤维/HDPE复合材料的结构与性能45-55
• 3.2.1 改性秸秆纤维复合材料冲击断口形貌45-48
• 3.2.2 秸秆纤维/HDPE复合材料力学性能48-55
• 3.2.2.1 微波处理前后秸秆纤维/HDPE复合材料力学性能48-49
• 3.2.2.2 微波接枝钛酸酯/硅烷偶联剂改性秸秆纤维/HDPE复合材料力学性能49-52
• 3.2.2.3 微波接枝CPVC/KH550和TAIC/CPE改性秸秆纤维/HDPE复合材料力学性能52-55
• 3.3 改性秸秆纤维了HOpE界面作用机理的探讨55-64
• 3.3.1 秸秆纤维表面性质对复合界面及复合材料的物理力学性能的影响55-61
• 3.3.2 复合界面的作用机理的探讨61-64
• 3.3.2.1 微波接枝偶联剂改性秸秆纤维复合材料复合界面的形成机理61-62
• 3.3.2.2 微波接枝CPVC/KH550与TAIC/CPE处理前后秸秆纤维复合材料界面的形成机理62-64
• 4 结论与展望64-67
• 4.1 结论64-66
• 4.2 创新之处66
• 4.3 展望66-67
• 参考文献67-72
• 附录72-74
• 附录一 HDPE物性指标72-73
• 附录二 术语说明73-74
• 在学期间发表的学术论文及科研成果74-75
• 致谢75

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

秸秆纤维对硬泡聚氨酯性能影响的研究    盖广清;王大壮;白宏程;

中国复合材料产品市场将持续增长    杨莹;

日本国复合材料企业代表到协会拜访任振铎会长    

《复合材料学报》征稿简则    

欢迎订阅《复合材料学报》    

沙伯基础创新塑料推出新型防静电复合材料    

提高复合材料的表面光滑度    杨莹;

高镁铝合金-膨胀矿石复合材料的制备方法    

复合材料孔加工方面的新进展    

Si含量对放电等离子烧结制备(1-x)Ti_3SiC_2+xSiC复合材料的影响    倪东惠;谭文昌;郑军君;罗汇果;李元元;

复合材料失效分析    何九领;鲁金华;

AU2000声-超声复合材料检测系统研制    刘时风;王勇;陶雪荣;陈显锋;

复合材料变形与损伤的光力学细观实验系统    佟景伟;沈珉;王世斌;李鸿琦;穆祥新;

注塑成型CB/iPP/HDPE复合材料电性能的研究    郜永娟;刘正英;杨鸣波;

纤维型Microstretch复合材料的面内有效弹性模量预测    马寒松;

二维点阵复合材料圆筒结构软模辅助缠绕成型及轴向压缩性能研究    张昌天;李晶晶;江大志;肖加余;

高韧性树脂转移模塑聚酰亚胺复合材料技术    益小苏;王震;刘志真;杨慧丽;丁孟贤;李宏运;

环氧树脂/AlN复合材料导热性研究    郑媛心;王言伦;王孝军;杨杰;

Li_5La_3Ta_2O_(12)/Al基高阻尼复合材料的制备和阻尼性能    王先平;王伟国;李春;程帜军;方前锋;

复合材料在桥梁工程中的应用    杨宜谦;

复合材料推广的突破口    子日

复合材料的回收和再利用    张林文

复合材料走向纳米化    本报驻美国记者 毛黎

复合材料包装复合罐    

复合材料包装复合罐    

我国最大“以铝节铜”复合材料基地开工    王讯

美国用复合材料制成机器人“电子皮肤”    梁亚宏

红阳厂 复合材料产品停控措施效果好    李宏文

复合材料在医疗及娱乐领域的应用    黄浩宇

全球复合材料行业“东方红”    本报记者 孟晶

木质素在PVC复合材料中的应用研究    岳小鹏

碳/碳复合材料刚度与强度预测模型研究    袁辉

CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究    聂军武

利用反应烧结法制备Si_3N_4复合材料及其多孔材料的研究    袁磊

废弃环氧树脂再生技术及应用研究    许文娇

共注射RTM制备承载/隔热/防热一体化复合材料    尹昌平

铜基体上原位合成碳纳米管（纤维）及其复合材料的性能    康建立

Cu/TiC复合材料的制备，组织结构及摩擦磨损行为    庄健

石墨烯/导电聚合物纳米复合材料及其电化学研究    王华兰

硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料蠕变行为的研究    田君

两种生物降解高分子/多壁碳纳米管复合材料的制备和性能研究    徐长玲

Ti_f/Al复合材料微观组织和力学性能研究    王萌

先驱体转化C/SiC复合材料本征及服役性能研究    张笔峰

基于石墨烯纳米光催化复合材料的制备与性能研究    陈文权

三元乙丙橡胶复合材料声学性能分析与研究    李新新

Al_2O_3颗粒增强钼基复合材料的制备与性能研究    代宝珠

一步热态成型制备C/C复合材料    张严文

Cu-Cr-Zr复合材料的制备及其性能研究    武小记

聚苯硫醚复合材料及共混物的制备与性能研究    刘文浩

基于FBG传感器对复合材料固化过程和抗冲击性能监测的研究    张威