超低密度纤维功能成形体的制备机理与应用研究

摘要

本论文采用自主研制的蒸汽喷射式成型新技术理论与装备,以松木木材纤维和农业废弃物稻草纤维为试验原料和以发泡性聚氨酯MPU-20树脂为化学助剂,成功制备了密度低于100 kg/m3、厚度为20-200 mm的超低密度纤维功能成形体。根据该成形体的结构特点,研究了其在缓冲动力学和隔热吸声等方面的性能与应用价值,通过试验分析了工艺因素如蒸汽喷射压力、透射时间、保存时间、MPU-20树脂用量、成形体密度等对上述性能的影响,并采用现代分析技术手段如SEM、AFM、FTIR、XRD、Py-GC-MS、EMPA(EDS)和TDA-TGA等重点研究了蒸汽喷射过程中纤维功能成形体的成型机理。此外,还采用先进温度采集技术对蒸汽喷射过程中纤维体内温度曲线进行了在线、连续、自动测定与分析。研究表明： 通过静态和动态缓冲动力学性能分析表明该成形体具有优良的缓冲动力学性能,其最小静态、动态缓冲系数可分别为3.57489和6.21667,且在静态压缩过程中通常会出现2次屈服效应,并通过建立理想的物理模型来揭示成形体在静态压缩过程中应力-应变量变化的机理。研究表明成形体还具有优良的隔热吸声性能,其导热系数可在0.04700-0.05600 kcal/mh℃,且具有在宽声频(250-7000 Hz)范围内很高的吸声系数值,吸声系数会随声频的增大而先快速增大、后缓慢降低再次增大至稳定的变化趋势,其降噪系数NRC可达0.7-0.9,平均吸声系数可达到0.4-0.7。工艺因素如蒸汽喷射压力、透射时间、保存时间、MPU-20树脂用量、成形体密度等对成形体的缓冲动力学性能和隔热吸声性能有不同程度的影响。此外,该成形体在通常气候条件下吸湿度小于8.5％,并具有良好的尺寸稳定性能,在经过恶劣环境条件下的处理下其厚度变化量≤2.5％。防火性能分析表明其在第一燃烧阶段该成形体均能燃烧且燃烧时间一般小于30 s,在第二燃烧阶段中成形体均能燃烧但燃烧时间会减少,而在第三燃烧阶段中仅部分成形体会燃烧且燃烧时间会更短。通过弯曲强度试验发现,在达到最大载荷后很少看见明显的断裂曲线,密度80 kg/m3和MPU-20树脂含量20％的成形体,其最大弯曲应力达5 kPa。 FTIR、SEM、AFM等分析表明在蒸汽喷射过程中会不同程度地降解纤维素、半纤维素和木素等组分,其降解液呈酸性的特征,该降解液主要是以可溶性混合多糖为主的混和物,而沉淀物质则是类似于石炭酸松香树脂类结构的化合物；UV-Vis紫外光谱分析表明蒸汽喷射处理过程中会产生酸性降解的含不饱和单位共轭体系的中间分子色素,且木素也发生了降解或溶出及木素吸收峰发生偏移。 SEM、AFM和EMPA(EDS)等分析表明该成形体具有明显的各向异性特征,蒸汽喷射处理后纤维表面会出现“沟痕”和“凹槽”或碎片,部分木素或半纤维素、脂肪、蜡或果胶质等混合物质被溶出,纤维表面的碳水化合物含量增加,且成形体内的纤维-树脂微粒.纤维的超微结构研究表明树脂微粒是以

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文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2缓冲包装材料的研究现状与存在的问题

1.2.1植物纤维类缓冲包装材料的国内外研究进展

1.2.2植物纤维/淀粉发泡缓冲材料

1.2.3植物纤维/聚氨酯等发泡缓冲材料

1.2.4其他新型植物纤维包装材料

1.2.5国外研究进展

1.2.6存在问题及展望

1.3隔热、吸声功能材料的国内外研究现状

1.3.1隔热吸声材料的主要类型与分类

1.3.2绿色环保型的隔热吸声材料的研究进展和开发意义

1.3.3国内外研究现状

1.3.4存在的问题与展望

1.4低密度纤维成形体材料的研究现状

1.4.1国内研究现状

1.4.2国外研究现状

1.4.3存在的问题与展望

1.5本论文的研究目的、意义与主要研究内容

1.5.1研究目的和意义

1.5.2主要研究内容

第二章蒸汽喷射式成型技术与装备的设计、安装与调试

2.1蒸汽喷射式成型技术与装备的设计特点

2.1.1设计依据

2.1.2设计原理

2.1.3蒸汽喷射式成型技术与装备的工艺流程

2.2成型器的结构设计及参数确定

2.3成型装备的调试与运行

2.4本章小结

第三章超低密度纤维功能成形体的制备方法及其缓冲动力学性能研究

3.1实验原材料与实验仪器设备

3.1.1实验原材料

3.1.2实验设备

3.2制备方法

3.2.1添加MPU-20树脂的超低密度纤维成形体的制备

3.2.2不添加MPU-20树脂的超低密度纤维成形体的制备

3.3添加MPU-20树脂的极限低密度纤维成形体成型效果的初步探索

3.3.1试验方法

3.3.2结果与讨论

3.4不添加MPU-20树脂的无胶低密度纤维成形体成型效果的初步探索

3.4.1试验方法

3.4.2结果与讨论

3.5超低密度纤维功能成形体的缓冲动力学性能研究

3.5.1试验方法

3.5.2结果与讨论

3.6本章小结

第四章超低密度纤维功能成形体的制备方法及其隔热吸声性能研究

4.1实验原材料与设备仪器

4.1.1实验原材料

4.1.2仪器设备

4.1.3成形体的制备

4.2试验方法

4.2.1导热系数

4.2.2吸声系数

4.2.3尺寸稳定性能

4.2.4吸湿性能

4.2.5阻燃性能

4.2.6弯曲强度

4.3结果与讨论

4.3.1隔热性能分析与讨论

4.3.2吸声性能分析与讨论

4.3.3吸湿性能分析与讨论

4.3.4尺寸稳定性能分析与讨论

4.3.5阻燃性能分析与讨论

4.3.6弯曲性能分析与讨论

4.3.7机械加工性能及其它特点

4.4本章小结

第五章蒸汽喷射处理过程中的降解液物理化学特性

5.1实验原材料与设备仪器

5.1.1实验原材料

5.1.2实验设备与仪器

5.2降解液的制取方法

5.3实验方法

5.3.1红外光谱FTIR分析

5.3.2紫外光谱UV-Vis分析

5.3.3 PH值分析

5.4结果与讨论

5.4.1蒸汽降解液的物理现象观察

5.4.2降解液pH值结果分析与讨论

5.4.3傅立叶红外光谱FT-IR结果分析与讨论

5.4.4紫外光谱UV-Vis结果分析与讨论

5.4.5降解液的物理化学特征对纤维成形体成型的影响

5.5小结

第六章超低密度纤维成形体的表面化学与形貌特征

6.1实验原材料与仪器设备

6.1.1实验原材料

6.1.2成形体的制备

6.1.3实验设备与仪器

6.2实验方法

6.2.1扫描电子显微镜(SEM)观察

6.2.2原子力显微镜AFM观察

6.2.3 EMPA(EDS)能谱分析

6.3结果与讨论

6.3.1 SEM扫描电镜分析

6.3.2原子力AFM显微镜分析

6.3.3表面化学分析

6.4本章小结

第七章蒸汽喷射过程中超低密度纤维成形体的成型机理

7.1实验原材料与设备仪器

7.1.1实验原材料

7.1.2实验设备与仪器

7.2实验方法

7.2.1傅立叶红外光谱FTIR表征

7.2.2高温裂解气相色谱-质谱(PY-GC-MC)分析

7.2.3 X射线衍射(XRD)分析

7.2.4差热-热重联用分析(DTA-TGA)

7.3结果与分析

7.3.1傅立叶红外光谱FTIR分析与讨论

7.3.2高温裂解气相色谱-质谱(PY-GC-MC)分析与讨论

7.3.3 X射线衍射(XRD)分析与讨论

7.3.4差热-热重联用分析(DTA-TGA)

7.4本章小结

第八章蒸汽喷射过程中纤维体内的传热行为研究

8.1实验原材料与设备

8.1.1实验原材料

8.1.2实验仪器与设备

8.2实验方法

8.2.1实验方案

8.2.2温度采集系统与装置

8.3结果与讨论

8.4本章小结

结论

本论文的创新之处

对未来工作的建设

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢