油菜秸秆的表面改性及其在木塑材料中的应用

【摘要】： 油菜是湖北省大宗经济作物，但是油菜秸秆经常作为农业废料被丢弃与焚烧。为了避免资源浪费和环境污染，本课题就如何利用油菜秸秆与高密度聚乙烯(HDPE)制备木塑复合材料(WPC)进行了研究。为了更直观地研究增加秸秆纤维与塑料基体间相容性的方法，油菜秸秆的主要纤维成分，即油菜秸秆粗纤维(RSRF)，首先被制备获取并以此作为研究对象。通过物理性超声波处理与化学性微波酯化结合的方法对RSRF表面进行改性并研究了RSRF改性后表面性能、化学反应性、结晶性及热性能等方面的变化。最后，酯化的RSRF与HDPE通过模压方法制备木塑片材，并评价其力学性能与吸水性能。主要研究结论如下： 1．油菜秸秆外表皮致密光滑，含有脂肪、蜡等弱介质层；整体容重0.3068g／cm~3。其主要化学成份(纤维素、半纤维素、木质素)接近于玉米杆、芦苇两种常见禾本科植物和杨木阔叶材，灰分和抽出物与玉米杆、芦苇相当且多于杨木。 2．通过正交试验确定了RSRF微波乙酰化的最佳工艺条件即获得最高酯化度的条件(以1g RSRF计)：微波预处理时间6min，微波预处理功率400W；乙酸酐用量6mL，酯化时间100s，微波酯化功率320W。同时，分别提取RSRF中纤维素和木质素进行酯化发现，前者显示更强了的酯化性能。红外光谱(FTIR)测定显示两者都能形成很强的酯键特征峰。由于纤维素、木质素和半纤维素三种组分所带羟基都能单独与乙酸酐发生酯化反应，因此推断RSRF的乙酰化反应是三者同时发生的。 3．研究了超声波处理时间、振幅、料液比和盛样容器体积对RSRF显微形态、总糖溶出百分含量、保水值、染料吸附率和反应性能的影响。振幅是最显著的影响因素，当振幅高于70％后，表征值都达到出较高水平。半纤维素能够被强烈的超声波打碎，纤维束裸露、撕裂并分散，排列致密的RSRF被分散成丝状。超声处理时间在0min～10min对RSRF影响显著，而在10min～30min各表征值增加的幅度都减小，表明较短时间超声波处理即显著增加了RSRF的比表面积和反应性能。料液比2％是较适宜的反应浓度，此时声空化现象明显且较经济。盛样容器体积在50mL～500mL范围内都能获得较明显的超声处理效果。X-射线衍射(XRD)研究显示，超声波和酯化处理均能降低RSRF的结晶度，峰型由晶态尖峰逐渐向非晶态漫散宽峰过渡。RSRF、超声波处理RSRF和超声波处理并乙酰化RSRF三种样品的晶粒尺寸值、N-O'KI和结晶度呈现逐渐减小的趋势，表明超声波和酯化处理都破坏了RSRF的晶体结构，结晶性降低。差示扫描量热法(DSC)研究结果表明，超声波处理对RSRF的热性能没有影响，但酯化改性使RSRF的纤维素与木质素最大分解峰消失，主要反映为酯的性质，且热稳定性增强。 4．材料的力学性能随酯化度增加而提高。振幅增大，WPC力学性能也随之增强，说明高振幅的超声波处理并没有因为对纤维表面造成刻蚀而对RSRF力学性能导致不利影响，相反能够使微波乙酰化程度更为均匀，从而与基体相容性增强。超声波处理0min～10min能够显著增强WPC的力学性能；料液比对力学性能的影响不十分显著，2％～3％即可达到较好效果。酯化改性后，片材表面的纤维形态不明显，表明RSRF边缘与塑料基体具有较好的相容性，各组分间发生了流动并产生均相化。酯化改性后的RSRF粉体和模压片材都显示出很强的疏水性，且疏水性随酯化度的升高而增强。 【关键词】：油菜秸秆 超声波处理 微波酯化 高密度聚乙烯 木塑复合材料
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TS653
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 缩写词表检索12-13
• 1 前言13-27
• 1.1 农作物秸秆纤维资源利用现状13
• 1.2 木塑复合材料的研究现状及应用前景13-19
• 1.2.1 木塑复合材料的优点及存在的问题14-19
• 1.2.1.1 天然植物纤维的表面改性15-18
• 1.2.1.2 添加界面改性剂18-19
• 1.2.1.3 塑料基体改性19
• 1.3 微波技术的发展及其在纤维素科学中的应用19-20
• 1.3.1 微波有机合成反应技术19
• 1.3.2 微波对木质纤维素的作用19-20
• 1.4 超声波技术的发展及其在纤维素科学中的应用20-23
• 1.4.1 超声波原理20-21
• 1.4.2 超声波对纤维素高分子物质的作用方式21-22
• 1.4.3 超声波在纤维素化学改性和功能化研究中的应用22-23
• 1.5 复合材料的理论基础23-25
• 1.5.1 复合理论23
• 1.5.2 堆砌理论23-24
• 1.5.3 界面理论24-25
• 1.5.3.1 界面概述24
• 1.5.3.2 复合材料对界面的要求24-25
• 1.5.3.3 界面的作用机理25
• 1.6 本课题研究的目的和意义25-27
• 2 材料与方法27-37
• 2.1 试验材料27
• 2.2 实验试剂27
• 2.3 实验仪器27-29
• 2.4 实验方法29-37
• 2.4.1 基本物理性质测定29-30
• 2.4.2 RSRF提取方法30
• 2.4.3 微波乙酰化实验方法30
• 2.4.4 酯化度的测定方法30
• 2.4.5 超声波处理样品及表征检测方法30-32
• 2.4.5.1 超声波处理样品30-31
• 2.4.5.2 保水值(WRV)测定及显微形态观察31
• 2.4.5.3 总糖的蒽酮-硫酸测定方法31-32
• 2.4.5 刚果红染料吸附法测染料吸附率32-33
• 2.4.6 红外光谱测定(FTIR)33
• 2.4.7 X-射线衍射(XRD)33-34
• 2.4.8 差示量热扫描(DSC)34
• 2.4.9 RSRF/塑料复合材料试样的制备34-35
• 2.4.9.1 基体-HDPE34
• 2.4.9.2 增强相-RSRF34-35
• 2.4.9.3 工艺路线35
• 2.4.10 吸水率的测定35-36
• 2.4.11 吸潮率的测定36
• 2.4.12 片材力学强度的测定36-37
• 2.4.12.1 冲击性能的测定36
• 2.4.12.2 弯曲性能的测定36
• 2.4.12.3 拉伸性能的测定36-37
• 3 结果与分析37-65
• 3.1 油菜秸秆粉基本物理性质研究37-38
• 3.2 微波辐射对RSRF乙酰化的影响38-44
• 3.2.1 微波酯化各因素的优化确定38-41
• 3.2.1.1 因素和水平的确定38-39
• 3.2.1.2 正交试验法确定微波酯化工艺条件39-41
• 3.2.2 FTIR分析41-44
• 3.2.2.1 木质素和酯化木质素的FTIR光谱41-42
• 3.2.2.2 纤维素和醋酸纤维素的FTIR光谱42-43
• 3.2.2.3 RSRF酯化前后的FTIR光谱43-44
• 3.3 超声波处理对 RSRF的影响44-59
• 3.3.1 影响超声空化的各种物理参数44
• 3.3.2 超声波处理对RSRF性能的影响44-49
• 3.3.2.1 超声波处理对溶出总糖百分含量的影响45-46
• 3.3.2.2 超声波处理对 WRV和染料吸附率的影响46-48
• 3.3.2.3 超声波处理对 ESRF微波乙酰化效果的影响48-49
• 3.3.3 超声波处理对 RSRF纤维形态结构的影响49-53
• 3.3.3.1 超声波作用时间对 RSRF微观形态的影响49-50
• 3.3.3.2 超声波作用振幅对粗纤维微观形态的影响50-51
• 3.3.3.3 料液比对 RSRF微观形态的影响51-52
• 3.3.3.4 盛样容器对 RSRF微观形态的影响52-53
• 3.3.4 结构及热性能分析53-58
• 3.3.4.1 酯化 RSRF的FTIR光谱分析53
• 3.3.4.2 XRD结晶度分析53-55
• 3.3.4.3 热性能分析55-58
• 3.3.5 超声波处理对纤维素纤维形态的影响及其作用机理分析58-59
• 3.4 复合改性RSRF在 WPC中的应用研究59-65
• 3.4.1 超声波作用对 WPC片材力学性能的影响59-61
• 3.4.2 不同处理方法的油菜秸秆及 WPC片材的吸潮率测定61-63
• 3.4.3 片材吸水率测试63-64
• 3.4.4 片材外观形貌观察64-65
• 4 结论65-67
• 4.1 油菜秸秆的主要组分65
• 4.2 RSRF微波乙酰化工艺条件65
• 4.3 超声波处理对 RSRF的作用效果65-66
• 4.3.1 超声波处理对 RSRF表面性能及反应性的影响65-66
• 4.3.2 超声波和乙酰化处理对 RSRF结晶度和热性能的影响66
• 4.4 改性处理对油菜秸秆/HDPE复合材料的性能影响66-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-74
• 附录74

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