废旧聚丙烯的回收及其在木塑复合材料中的应用研究

论文摘要

近年来,随着国民经济的蓬勃发展,高分子材料产量越来越大,使用越来越普及,废旧塑料的产生量越来越多,其回收及再利用的研究,对于环境保护和资源再生具有重要意义。塑料是四大基础材料中可实现“减量化、再利用、资源化”的材料之一,绝大部分塑料使用后能够被回收再利用,是典型的资源节约型环境友好材料,“塑料再生”作为一个新兴产业也正在不断发展壮大,渐成规模,这对“循环经济”和“可持续发展战略”具有重要现实意义。另一方面,随着环保意识日益增强,各国对森林砍伐进行限制,但对木材的需求量却有增无减,因此,用木粉、稻糠、竹粉、剑麻、秸秆等废生物质纤维制造代木材料的研究越来越引起人们的重视。本文采用聚丙烯接枝马来酸酐(MAPP)为界面改性剂,分别选用新聚丙烯(PP)、废旧聚丙烯(RPP)与木质纤维复合制备木塑复合材料,同时添加玻璃纤维(GF)和碳酸钙(CaCO3)对聚丙烯基木塑复合材料进行增强改性。为了使木塑复合材料在添加润滑剂聚乙烯蜡(PEW)获得良好加工性能的同时,尽量减少力学性能的损耗,研究了通过熔融接枝法,采用马来酸酐(MAH)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)为接枝单体与PEW反应,制备了三单体接枝物(GPEW),并将其应用于木塑复合材料中,考查了GPEW对力学性能、加工性能以及热性能的影响。研究结果表明,MAPP有效地提高了聚丙烯/木质纤维复合材料的综合力学性能、界面相容性以及耐热性。当MAPP/木粉(WP)的值为0.20时,PP/WP(100/50)复合材料的综合力学性能达到最佳,拉伸强度提高46%,弯曲强度提高24%,冲击强度提高72%。将MAPP应用于RPP/WP、RPP/竹粉(BP)复合体系,当MAPP与木质纤维的比值为0.25时,RPP/木质纤维(100/50)复合体系的综合力学性能达到最佳,其中木粉复合体系的性能优于竹粉体系。扫描电镜(SEM)照片表明,MAPP可有效改善PP/WP和RPP/WP复合材料的中基体和木质纤维的界面粘结;通过对复合体系差示扫描量热(DSC)分析表明,MAPP在复合体系中起到异相成核剂的作用;另外TG测试表明MAPP加入后复合体系的热稳定性得到了提升。玻璃纤维的加入,对PP/WP和RPP/WP复合体系均有很好的增强效果,热性能也有一定的提高,但会降低体系的加工性能。RPP/WP/GF(100/50/20)复合体系和没有添加玻纤的RPP/WP(100/50)体系相比,在两体系取各自综合性能最佳点的情况下,前者的拉伸强度比后者高20%左右,弯曲强度高约25%,无缺口冲击强度提升了约30%。MAPP可以增进玻纤与基体的界面粘结,在复合材料破坏过程中,玻纤承担应力分散的作用。碳酸钙的加入可提高PP/WP复合材料力学性能,但对RPP/WP(100/50)复合体系的增强改性效果不如玻纤明显,而MAPP能促进碳酸钙在复合材料中的分散。通过比较不同单体组成、反应温度和时间以及引发剂用量制得的GPEW对PP/WP(100/100)复合材料拉伸强度的影响,探索了GPEW的最佳合成条件。此外还研究了GPEW对PP/WP和RPP/WP复合体系的加工性能以及热性能的影响。结果发现,固定PEW为100份,向其中加入MAH、MMA和BA的份数比为8:8:2,控制反应温度为120℃,BPO用量2份以及反应时间为4小时时制得的GPEW对PP/WP(100/100)复合材料拉伸强度降低程度最小,间接说明此时接枝效果好。通过TG测试表明,GPEW相比PEW在热稳定性上有所提高,接触角实验发现接枝反应后其表面疏水性大大降低。PP/WP(100/50)木塑复合体系的平衡转矩会随着PEW和GPEW的加入而降低,但GPEW的降低程度略低于PEW。毛细管流变测试显示,PEW和GPEW的对木塑复合材料的作用效果几乎一致,说明GPEW仍保留有PEW良好的润滑作用。通过DSC、TG和维卡软化点测试表明,GPEW和PEW的加入都会降低PP/WP复合体系的热性能,但GPEW的降低程度明显低于PEW。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 木塑复合材料

1.1.1 木塑复合材料概述

1.1.2 生产与应用WPC 时出现的问题与解决方法

1.2 废旧塑料回收及在WPC 中应用的研究进展

1.2.1 废旧塑料的来源与危害

1.2.2 废旧塑料的处理和回收方法

1.2.3 废旧塑料的在WPC 中的应用现状

1.3 填料增强WPC 的研究进展

1.4 不同基体WPC 的研究进展

1.4.1 PP 基复合材料

1.4.2 PE 基复合材料

1.4.3 PVC 基复合材料

1.4.4 PS 基复合材料

1.5 选题的目的意义、研究内容及技术创新

第二章 PP 基木塑复合材料结构与性能的研究

2.1 主要原料和仪器设备

2.2 样品制备和分析测试

2.2.1 力学性能测试

2.2.2 动态力学性能测试

2.2.3 红外光谱分析仪

2.2.4 密度测试

2.2.5 接触角（CA）测试

2.2.6 差示扫描量热法（DSC）的测试

2.2.7 热重分析（TG）测试

2.2.8 维卡软化点

2.2.9 扫描电镜

2.2.10 毛细管流变性能测试

2.2.11 转矩流变性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 MAPP 对PP/WP 复合材料结构与性能的影响

2.3.1.1 MAPP 用量对PP/WP 复合材料力学性能的影响

2.3.1.2 MAPP 对PP/WP 复合材料动态力学性能的影响

2.3.1.3 PP/WP 复合材料的加工性能研究

2.3.1.4 PP/WP 复合材料的热性能研究

2.3.1.5 MAPP 对PP/WP 复合材料结构形貌的影响

2.3.2 玻纤对PP/WP 复合材料结构与性能的影响

2.3.2.1 MAPP 用量对PP/WP/GF 复合材料力学性能的影响

2.3.2.2 玻纤用量对PP/WP/GF 复合材料力学性能的影响

2.3.2.3 PP/WP/GF 复合材料的加工性能研究

2.3.2.4 PP/WP/GF 复合材料的热性能研究

2.3.2.5 MAPP 对PP/WP/GF 复合材料结构形貌的影响

2.3.3 碳酸钙对PP/WP 复合材料结构与性能的影响

3 复合材料力学性能的影响'>2.3.3.1 MAPP 用量对 PP/WP/CaCO₃复合材料力学性能的影响

3 复合材料力学性能的影响'>2.3.3.2 碳酸钙用量对 PP/WP/CaCO₃复合材料力学性能的影响

3 复合材料的 DSC 分析'>2.3.3.3 PP/WP/CaCO₃ 复合材料的 DSC 分析

3 复合材料的结构形貌'>2.3.3.4 PP/WP/CaCO₃复合材料的结构形貌

2.4 小结

第三章废PP 基木塑复合材料结构与性能的研究

3.1 主要原料和仪器设备

3.2 样品制备和分析测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 MAPP 对复合材料结构与性能的影响

3.3.1.1 MAPP 用量对RPP/WP 和RPP/BP 复合材料力学性能的影响

3.3.1.2 RPP/WP 复合材料的动态力学性能

3.3.1.3 RPP/WP 复合材料的加工性能

3.3.1.4 RPP/WP 复合材料的结构形貌

3.3.1.5 RPP 和RPP/WP 复合材料的热分析

3.3.2 无机填料对RPP/WP 复合材料的结构与性能的影响

3.3.2.1 MAPP 用量对RPP/WP/GF 复合材料力学性能的影响

3 复合材料力学性能的影响'>3.3.2.2 MAPP 用量对 RPP/WP/CaCO₃复合材料力学性能的影响

3.3.2.3 RPP/WP/GF 复合材料的结构形貌

3 复合材料的 DSC 分析'>3.3.2.4 RPP/WP/CaCO₃ 复合材料的 DSC 分析

3.3.3 纯PP 对RPP/WP 和RPP/BP 复合材料的共混改性研究

3.3.3.1 纯PP 含量对基体树脂力学性能的影响

3.3.3.2 纯PP 含量对RPP/WP 和RPP/BP 复合材料力学性能的影响

3.3.3.3 纯PP 含量对RPP/WP/GF 复合材料力学性能的影响

3.4 小结

第四章聚乙烯蜡接枝共聚物对木塑复合材料结构与性能的影响

4.1 主要原料和仪器设备

4.2 样品制备和分析测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 GPEW 的合成与表征

4.3.1.1 GPEW 的合成

4.3.1.2 PEW 和GPEW 的红外谱图

4.3.1.3 PEW 和GPEW 的接触角

4.3.1.4 PEW 和GPEW 的热分析

4.3.2 GPEW 对木塑复合材料力学性能的影响

4.3.2.1 GPEW 对PP/WP 和RPP/WP 力学性能的影响

4.3.2.2 GPEW 对PP/WP/MAPP 力学性能的影响

4.3.2.3 GPEW 对PP/WP 动态力学性能的影响

4.3.3 GPEW 对木塑复合材料加工性能的影响

4.3.3.1 GPEW 对PP/WP 转矩流变性能的影响

4.3.3.2 GPEW 对PP/WP 毛细管流变性能的影响

4.3.4 GPEW 对木塑复合材料热性能的影响

4.3.4.1 GPEW 对PP/WP 复合体系DSC 的影响

4.3.4.2 GPEW 对PP/WP 复合体系TG 的影响

4.3.4.3 GPEW 对PP/WP 复合体系耐热性的影响

4.4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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