PVC/稻壳粉复合材料结构与性能研究

论文摘要

将稻壳加工成粉状并经表面处理，再以适当的方法与塑料复合加工成复合材料，其物理机械性能可以与硬木制品相媲美。作为一种新型复合材料不但具有木材的天然木质感，更有优于木材的自然性能，它可以用与木材相同的工具和工艺进行钻孔、切割、刨铣和修整。并且，还可以像加工木材那样打磨、上色和装饰，使其获得所需的美观效果。能广泛应用于仿木地板、建筑模板、下水井盖、铁路枕木、护栏、露天桌椅等。本论文选用多种改性剂处理稻壳粉并通过不同工艺与PVC复合来制备木塑复合材料。主要进行了以下几个方面的研究工作：选用纳米碳酸钙、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、甲基丙烯酸甲酯及酚醛树脂等作为改性剂处理稻壳粉。研究表明无机纳米碳酸钙改性的稻壳粉及在稻壳粉中原位生成碳酸钙改性稻壳粉能提高稻壳粉的耐热性。偶联剂能与稻壳粉表面羟基作用，改善稻壳粉吸湿性。MMA浸入稻壳粉、木粉后，能在微波作用下生成一种半互穿网络结构原位改性纤维粉。MMA与酚醛树脂改性稻壳粉都能显著降低稻壳粉的吸潮性。不同改性剂对改性后的稻壳粉与PVC复合后的力学性能、吸湿性能及吸湿后的线膨胀率有较大影响。MMA对提高复合材料的拉伸强度最为明显；而硅烷偶联剂对改善复合材料的冲击强度则最为有效；酚醛树脂对力学性能几乎没有贡献，但与硅烷偶联剂共用效果较好。经表面改性处理后的复合材料吸水性明显低于未改性的复合材料，且MMA、酚醛树脂处理的稻壳粉复合材料的吸水率较低。在复合材料中加入弹性体CPE和POE—g—MAH能明显提高材料的冲击性能。复合材料中加入弹性体后，材料韧性提高，在PP／POE—g—MAH／稻壳粉体系中，弹性体更有利于材料冲击性能的提高。即材料由未添加POE—g—MAH的5.2KJ／m2提高到添加12份POE—g—MAH的9.1KJ／m2，提高了75％。而添加相同质量份CPE的PVC／稻壳粉体系材料的冲击强度从5.2KJ／m2提高到8.2KJ／m2，提高了56％。添加相同质量份数的POE—g—MAH和CPE，PVC／POE—g—MAH的拉伸强度高于PVC／CPE体系，同时，压力对复合材料力学性能影响较大。当成型压力增大到30MPa时，复合材料的力学性能与表面处理关系不大，高压下制备的复合材料的吸水率也明显降低。因此，利用高压法成型木塑复合材料是一种潜在的可行的方法。复合材料模量随稻壳粉用量增加而增大，温度升高而降低。40份与80份稻壳粉的复合材料的内耗峰对应温度分别为95.2℃与96.8℃，而纯PVC的内耗峰对应温度为92.8℃，即玻璃化转变温度适当提高。PVC／稻壳粉发泡复合材料可以通过挤出与模压两种方法制得，挤出法制备PVC／稻壳粉发泡材料时稻壳粉用量可达60份，而模压法则不宜超过40份。利用温度梯度的方式能实现PVC／稻壳粉梯度发泡。该材料具有外层致密（骨密质），有较高的表面硬度与力学性能，内层与木材细胞类似的“微泡”组织（骨松质）、板材中空（骨髓腔）的仿生结构。挤出发泡复合材料泡孔呈椭球形；模压发泡复合材料泡孔呈球形。挤出法比模压法制备的PVC／稻壳粉发泡复合材料有更好的力学性能，但挤出法的线膨胀系数大。对润滑剂用量的优化可以控制木塑复合材料表面木纹的大小，木纹剂中润滑剂用为2份、基粒中为1.5份时，单、双螺杆挤出机挤出的木纹效果都较好。PVC／稻壳粉复合材料挤出流变性能结果表明挤出物熔体为非牛顿性流体。增加稻壳粉的用量及适当提高熔体温度能减小挤出胀大率。当剪切速率为230 s-1时挤出物表面光滑。剪切速率为324 s-1时，挤出物表面有轻微的鲨鱼皮出现，有轻微的波纹状的畸变，呈蜂窝状。当剪切速率达到523 s-1时，有明显的规律性鲨鱼皮畸变。波状物平均波长和平均深度分别达到90μm与20μm。通过加入润滑剂及适当降低剪切速率能防止上述缺陷的产生。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 PVC改性研究进展
• 1.2.1 PVC/弹性体共混增韧改性
• 1.2.2 PVC/刚性有机粒子改性
• 1.2.3 PVC/无机纳米粒子改性
• 1.3 稻壳粉的研究现状
• 1.3.1 稻壳粉的形态结构及其化学组成
• 1.3.2 稻壳粉的应用
• 1.4 国内外木塑复合材料研究现状
• 1.4.1 表面改性的研究进展
• 1.4.2 加工工艺研究进展
• 1.4.3 木塑发泡技术研究进展
• 1.4.4 木塑复合材料的性能特点
• 1.5 课题来源、主要研究的内容及创新点
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.4 测试方法
• 第3章 稻壳粉的表面处理
• 3.1 稻壳粉的微观结构
• 3.2 无机改性
• 3.3 有机改性
• 3.3.1 钛酸酯偶联剂
• 3.3.2 硅烷偶联剂
• 3.3.3 酚醛树酯
• 3.3.4 MMA在微波辐照下对稻壳粉结构改性研究
• 3.3.5 改性剂对稻壳粉吸水性能影响
• 3.4 无机/有机复合改性
• 3.4.1 稻壳粉吸油性
• 3.4.2 稻壳粉吸偶联剂特性
• 3.5 小结
• 第4章 非发泡型PVC基木塑复合材料
• 4.1 表面处理剂用量对木塑复合材料力学性能的影响
• 4.2 PVC/稻壳粉复合材料显微结构与界面模型
• 4.2.1 PVC/稻壳粉复合材料的显微结构
• 4.2.2 偶联剂改性植物纤维界面模型
• 4.2.3 MMA改性植物纤维半互穿网络模型
• 4.3 稻壳粉用量对复合材料性能影响
• 4.4 力学性能的改进
• 4.4.1 弹性体POE—g—MAH、CPE和稻壳粉对PVC性能的影响
• 4.4.2 压力对复合材料力学性能影响
• 4.5 木塑复合材料吸湿性能研究
• 4.5.1 偶联剂对复合材料吸水性的影响
• 4.5.2 复合材料吸水后力学性能
• 4.5.3 复合材料吸水后对线膨胀性能的影响
• 4.6 复合材料动态粘弹性能研究
• 4.6.1 PVC/稻壳粉动态力学粘弹性能
• 4.6.2 PVC/稻壳粉界面的动态力学分析
• 4.7 纤维混杂对木塑复合材料结构与性能影响
• 4.7.1 MMA对木粉的改性
• 4.7.2 PVC/木粉/稻壳粉复合材料的性能
• 4.7.3 纤维混杂复合材料的混杂效应分析
• 4.8 PVC/稻壳粉复合材料的老化特性
• 4.8.1 力、热化学作用对复合材料性能影响
• 4.8.2 力、化学作用时间对物料颜色的影响
• 4.8.3 光、氧老化对木塑复合材料性能影响
• 4.9 小结
• 第5章 PVC/稻壳粉仿生可控梯度发泡材料
• 5.1 仿生结构设计、可控梯度发泡原理和模型
• 5.1.1 木塑仿生结构设计原理
• 5.1.2 梯度发泡原理分析与实现
• 5.2 不同发泡方法对复合材料泡孔结构的影响
• 5.2.1 加工工艺
• 5.2.2 不同发泡方法对复合材料泡孔结构的影响
• 5.2.3 不同发泡方法对发泡复合材料密度的影响
• 5.2.4 不同发泡方法对复合材料线膨胀系数的影响
• 5.2.5 不同发泡方法对复合材料力学性能的影响
• 5.2.6 表面改性剂对发泡材料流变特性影响
• 5.3 PVC/稻壳粉梯度发泡复合材料的仿木纹研究
• 5.3.1 配方设计原则
• 5.3.2 木纹形成机理
• 5.3.3 润滑剂用量对木纹的影响
• 5.3.4 加工工艺条件对木纹形成及材料性能的影响
• 5.3.5 加工性能分析
• 5.4 小结
• 第6章 PVC/稻壳粉复合材料的加工性能研究
• 6.1 PVC/稻壳粉复合材料毛细管流变性能
• 6.2 PVC/稻壳粉复合材料的挤出鲨鱼皮畸变与熔体破裂
• 6.2.1 PVC/稻壳粉挤出鲨鱼皮症
• 6.2.2 PVC/稻壳粉挤出熔体破裂
• 6.3 稻壳粉用量对PVC凝胶化程度的影响
• 6.4 PVC/稻壳粉的挤出胀大行为
• 6.4.1 稻壳粉用量和口模长径比对挤出胀大的影响
• 6.4.2 挤出速度和温度对挤出胀大的影响
• 6.5 PVC/稻壳粉复合材料在缝模中的挤出特性
• 6.6 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 博士期间发表与待发表的论文
• 致谢