马来酸酐/硅烷接枝聚丙烯界面相容剂制备及其性能研究

论文摘要

木纤维是自然界中最丰富的天然高分子材料,也是人类开发应用最早的天然材料之一,它具有密度低、价格低廉、比强度高、可生物降解和再生利用等优点,是当前国民经济中不可缺少的重要材料。但是,它也同时存在着一些性能缺陷,如：易于腐朽,较高的湿胀干缩性,易于变形,易被虫蛀和易燃烧等。特别是近几十年来,由于天然森林资源的减少及禁伐,大量速生丰产幼龄材的使用使木材的力学性质也有了一定程度的下降,影响了它在某些领域的应用。另一方面,我国每年木材加工余下废弃木屑量在几百万吨以上,其它天然纤维如稻糠等达上千万吨。以往这些废木屑、边角料只能作为燃料或作为固体垃圾处理,产生浪费的同时也给造成了很大的环境污染。近些年来,塑料已成为国民经济中不可缺少的材料。随着塑料的大量使用,废旧塑料带来的白色污染也越来越受到人们的重视。如何找到一种对废弃塑料回收利用的有效途径已成为当前国内外环境保护领域的重要课题之一。通过木纤维与塑料（或废塑料）进行复合,制备木塑复合材料不但可以废物利用,减轻环境污染,而且还可以解决单一材料在性能上的某些缺陷。木塑复合材料是一种新型复合材料,具有优良的品质和性能,是21世纪重点开发的绿色环保新型材料之一国内外对此的研究十分重视。但构成木塑复合材料的两大材料木纤维和聚合物基体之间的界面相容性很差,木纤维表面具有强极性和吸水性,而塑料基体表面一般为非极性或极性很小,二者界面相容性的好坏直接影响了木塑复合材料的性能。如何提高木粉的分散性和增进两相的相容性,是木塑复合材料研究的关键问题,也是当今学者研究木塑复合材料的热点问题。本文主要采用电子束预辐照聚丙烯（PP）的方法,分别与马来酸酐（MAH）、硅烷（VTMS）及马来酸酐/硅烷（MAH/VTMS）接枝,自制三种界面相容剂：马来酸酐接枝聚丙烯（MAH-g-PP）、硅烷接枝聚丙烯（VTMS-g-PP）、马来酸酐/硅烷接枝聚丙烯（MAH/VTMS-g-PP）。同时以杨木粉为填料,与高密度聚丙烯（PP-HD）进行复合,对比研究了不同界面相容剂、不同木粉含量对复合材料力学性能、界面相容性、加工流变性、吸水性能的影响。研究结果表明：三种自制的界面相容剂,都能很好的改善木塑复合材料的界面相容性能,且MAH/VTMS-g-PP型界面相剂的性能最好。这是由于MAH/VTMS-g-PP型界面相容剂具有两种接枝单体、双活性基团,在复合过程中产生了某种协效作用,从而使木塑复合材料的力学性能提高显著。研究表明,随着界面相容剂剂的加入,木塑复合材料的力学性能首先逐渐增大,界面相容剂的添加量为10%时,力学性能达到最大值。此后,界面相容剂添加量的增加,反而使得木塑复合材料的力学性能降低。木粉含量对木塑复合材料力学性能的研究表明,木粉含量60%时,木塑复合材料的力学性能和流变性能最佳。随着木塑复合材料在水中浸泡时间的增长和温度的升高,复合材料的力学性能有所降低,但MAH/VTMS-g-PP型界面剂的木塑复合材,其吸水性率低,性能降低的最少。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜进一步证明了界面相容剂的加入,特别是MAH/VTMS-g-PP型界面相容剂可提高木粉在PP-HD基体中的分散性以及木粉与PP-HD的界面粘结性。采用转矩扭矩流变仪研究了复合体系在不同界面剂、不同木粉含量、不同温度、不同转速下的加工流变性。通过实验得出,木粉/PP-HD复合材料在木粉含量为60%、润滑剂含量1%、MAH/VTMS-g-PP含量10%、温度190℃、转速80rpm效果最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 木塑复合材料的性能及应用
• 1.3 木塑复合材的国内外发展现状
• 1.3.1 国外发展现状
• 1.3.2 国内现状
• 1.4 木塑复合材料的原料
• 1.4.1 聚合物
• 1.4.2 木粉
• 1.4.3 木塑复合材料的添加助剂
• 1.5 复合材料界面层的形成和作用机理
• 1.5.1 复合材料界面层的形成
• 1.5.2 界面层的作用机理
• 1.6 改善复合材界面相容性的方法
• 1.6.1 增强材料的表面处理
• 1.6.2 聚合物基体改性
• 1.7 辐照接枝改性方法
• 1.7.1 辐照接枝
• 1.7.2 辐照接枝法机理
• 1.7.3 辐照接枝的现状
• 1.8 木塑复合材的加工工艺
• 1.9 本课题研究的意义和内容
• 1.9.1 课题研究的意义
• 1.9.2 本课题研究的内容
• 2 辐照接枝界面剂相容剂的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料及仪器设备
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 红外光谱的分析
• 2.2.4 接枝率的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 红外光谱的表征
• 2.3.2 相容剂的接枝共聚反应
• 2.3.3 影响接枝率的因素
• 2.4 本章小结
• 3 界面相容剂对木塑复合材力学性能的影晌
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 复合材料的制备
• 3.2.2 复合材料力学性能的测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 无添加剂时木粉含量木塑复合材的力学性能
• 3.3.2 接枝单体浓度对木塑复合材力学性能的影响
• 3.3.3 界面剂对复合材料力学性能的影响
• 3.3.4 界面相容剂对复合材料吸水性能的影响
• 3.4 本章小结
• 4 界面相容剂对木塑复合材流变性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验工艺和制备工艺条件
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 木粉含量对木塑复合材流动性能的影响
• 4.3.2 界面剂含量对材料流动性的影响
• 4.3.3 温度对材料流动性的影响
• 4.3.4 润滑剂含量对材料流动性的影响
• 4.3.5 时间与平衡扭矩的关系
• 4.3.6 转速与平衡扭矩的关系
• 4.4 本章小结
• 5 复合材料的形貌表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 SEM对未加相容剂的复合材料界面形貌分析
• 5.3.2 SEM对加不同相容剂的复合材料界面形貌分析
• 5.3.3 SEM对不同木粉含量复合材料的界面形貌分析
• 5.3.4 SEM对不同润滑剂含量复合材料的界面形貌分析
• 5.3.5 原子力显微镜的形貌分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢