生物质纤维/聚丙烯复合材料结构与性能的研究

论文摘要

生物质纤维/塑料复合材料（Bio-fiber Plastic Composites, BPC）即木塑复合材料,是一种绿色环保复合材料。它可以综合利用废弃的林业下脚料、农作物副产品和废旧塑料,不但成本低廉,还可减轻这些废弃物对环境的污染,节约资源,有利于可持续发展。BPC产品具有类似木材的外观和性能,可在一定场合替代木材的使用,从而降低砍伐森林的压力,而且产品可用多种方式加工,赋予其木材所不具有的形状和功能,因此具有比木材更广阔的应用范围。但是,BPC也具有它本身的一些弱点,如生物质具有多样性,原料性能不稳定,导致产品质量容易出现波动,不利于对产品质量的控制;纤维与塑料相容性不好,物料流动性差,在加工过程中易出现烧焦现象;材料耐老化性能有待改善等等。针对BPC复合材料存在的上述问题,本论文进行了相应的研究。本论文首先从不同生物质纤维本身物化性质的差异入手,对比分析了木粉（Wood Flour,WF）、竹粉（Bamboo Flour,BF）和稻糠（Rice Husk,RH）三种生物质纤维在微观形貌、组成和表面能方面的差异,发现竹粉的长径比最大,纤维素含量最高,表面能最大。在1#木粉、2#木粉、竹粉和稻糠增强的PP基复合材料中,竹粉/PP复合材料的力学性能最好,其次是1#木粉/PP,2#木粉/PP次之,稻糠/PP较差。生物质纤维中水分含量会影响复合材料的加工性能,但一定含量水分的存在,有利于提高复合材料的冲击强度。随着纤维含量的增大,复合材料的熔体流动指数MFI下降。复合材料表观粘度均比纯聚丙烯的表观粘度大,各复合材料表观粘度从大到小分别为1#木粉/PP、竹粉/PP、2#木粉/PP、稻糠/PP,表明1#木粉/PP复合材料流动性最差,稻糠/PP复合材料流动性最好。对比2#木粉粒径变化对复合材料流动性能的影响,发现木粉粒径为40目时,复合材料的表观粘度较高;随着粒径的减小,材料的非牛顿指数逐渐下降。聚丙烯接枝马来酸酐（MPP）和聚烯烃弹性体接枝马来酸酐（MPOE）均可改善生物质纤维与PP的相容性,提高复合材料的力学性能。不同牌号的PP基体中加入木粉后,其拉伸、弯曲强度和弯曲模量都有提高,其中弯曲强度和弯曲模量提高比较明显,但冲击强度都下降到一个较低的水平。加入增韧剂苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SEBS）后复合材料的冲击强度有明显提高。DSC分析表明,纤维可促进PP的异相成核,提高PP的结晶温度。在2#木粉/PP、竹粉/PP和稻糠/PP复合材料中,竹粉/PP的耐热氧老化性能最好。120℃热氧老化时,复合材料的颜色会变黄,黄化的程度基本上与性能下降的程度是一致的,说明热氧老化使复合材料的结构发生变化,并产生了黄素物质。加入防老剂1010可有效提高复合材料的耐热氧老化效果。纯PP和生物质纤维/PP复合材料在紫外辐照一段时间后表面均出现粉化和褪色现象。红外光谱分析表明,PP在紫外辐照后被氧化,产生羰基、醛基、羟基等官能团。复合材料在辐照后也出现了羰基官能团,甚至还可能出现了C=C双键。木质素在紫外辐照后受到破坏,并产生羰基类发色基团而导致木质素黄化。微晶纤维素在200h的紫外辐照下其颜色和官能团均没有发生变化,说明其耐紫外老化性能比较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物质纤维中植物纤维的种类
• 1.2 植物纤维原料的化学成分
• 1.3 生物质纤维/塑料复合材料中塑料的种类
• 1.4 生物质纤维/塑料复合材料的界面
• 1.5 生物质纤维/塑料复合材料的研究进展
• 1.5.1 稻糠/塑料复合材料的研究
• 1.5.2 竹纤维/塑料复合材料的研究
• 1.5.3 木质纤维/塑料复合材料的研究
• 1.5.4 生物质纤维/塑料复合材料的紫外老化研究
• 1.5.5 生物质纤维/塑料复合材料的阻燃研究
• 1.6 选题的目的意义、研究内容及技术创新
• 第二章 生物质纤维的物化性质对木塑复合材料性能的影响
• 2.1 主要原料
• 2.2 样品制备
• 2.3 主要设备
• 2.4 分析测试
• 2.4.1 力学性能测试
• 2.4.2 生物质纤维组分的分离测试
• 2.4.3 红外测试
• 2.4.4 吸水率测试
• 2.4.5 光学显微镜观察
• 2.4.6 扫描电镜观察
• 2.4.7 热重分析（TG）
• 2.4.8 差示扫描量热（DSC）
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 不同生物质纤维的微观形貌和粒径分布
• 2.5.2 不同生物质纤维的组成
• 2.5.3 不同生物质纤维的红外光谱测试
• 2.5.4 不同生物质纤维的热稳定性分析
• 2.5.5 不同生物质纤维的表面能组成
• 2.5.6 生物质纤维含水率对复合材料的影响
• 2.5.7 生物质纤维种类、含量和粒径对复合材料力学性能的影响
• 2.5.8 生物质纤维种类和含量对复合材料吸水率的影响
• 2.5.9 生物质纤维对复合材料加工性能的影响
• 2.5.10 含不同种类生物质纤维的复合材料的热性能分析
• 2.6 小结
• 第三章 生物质纤维/PP 复合材料的改性研究
• 3.1 主要原料
• 3.2 主要设备
• 3.3 样品的制备
• 3.4 分析测试
• 3.4.1 力学性能测试
• 3.4.2 扫描电镜观察
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 相容剂MPP 用量变化对复合材料性能的影响
• 3.5.2 不同生物质纤维/PP 复合材料的结构形貌
• 3.5.3 相容剂MPOE 用量变化对复合材料性能的影响
• 3.5.4 不同牌号聚丙烯对复合材料性能的影响
• 3.5.5 不同加工工艺对PP 基复合材料性能的影响
• 3.6 小结
• 第四章 生物质纤维/PP 复合材料老化性能的研究
• 4.1 主要原料
• 4.2 主要设备
• 4.3 样品的制备
• 4.4 分析测试
• 4.4.1 力学性能测试
• 4.4.2 红外测试
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 冻融试验对生物质纤维/PP 复合材料力学性能的影响
• 4.5.2 生物质纤维/PP 复合材料热氧老化性能的研究
• 4.5.3 紫外老化对生物质纤维/塑料复合材料力学性能和外观的影响
• 4.5.4 紫外辐照使生物质纤维/PP 复合材料外观变色的影响因素探讨
• 4.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢