木纤维高温高压蒸汽/有机硅烷改性对木塑复合材性能的影响机制

摘要

木塑复合材料(WPC)作为一种新型的绿色环保材料，具有优异的性能。然而，WPC在生产、制备过程中仍存在一些技术难点，其中高质量木质纤维的定向制备及其与树脂基体之间的界面相容性、分散性等是制约WPC物理、化学性能提高的瓶颈。本研究针对WPC用木纤维的定向制备工艺进行了系统研究，考察了不同形态、不同含水率和不同树种原料对制备的木纤维质量的影响及以其为增强材料的WPC力学性能，建立木质原料的初含水率、树种和形态与纤维形态、几何尺寸等之间的关系;在此基础之上，本研究重点考察了木纤维高温高压蒸汽/有机硅烷改性对WPC性能的影响机制，通过对木纤维的高温高压蒸汽改性、带有特殊官能团的有机硅烷改性以及二者的复合改性方法的研究，以期改善纤维在塑料熔体中的分散性、流动性以及二者之间的相容性，增强其界面结合强度，并揭示改性机理，旨在构建和完善先进的木纤维定向制各技术、以及木质纤维复合改性体系，为木质资源的大规模高效利用和WPC产品性能最优化提供理论基础和技术支撑。主要研究内容与结论如下:
　　(l)针对现有木粉机的加工原理和产品性能，采用揉搓碾轧式的加工原理，设计制造了WPC专用木纤维粉碎机。该粉碎装备加工的木纤维表观形态规则，绝大部分木纤维呈通直状态、分散性好，其中，40～80目纤维的质量占总质量的74.02％，平均长径比约为5.3，几何形态质量较好，可以满足高质量WPC用木纤维的技术要求，为高性能WPC制备提供了的木纤维定向制备技术与方法。
　　(2)通过不同木纤维几何形态对WPC力学性能影响的研究，分别考察了不同形态不同树种及含水率原料制备的木纤维的几何形态及其对WPC力学性能的影响。结果表明:随着木纤维直径的增加，WPC力学强度呈先增大后降低的趋势，当木纤维直径为0.2lmm＜d＜0.29mm（60～80目）、长径比为5～7时可赋予WPC较好的力学性能，其冲击、拉伸及弯曲强度与木纤维直径为0.14mm（100目）时的复合材料相比，分别提高了14.65％、10.12％及6.13％;通过对不同初含水率杨木单板制备的木纤维进行分析表明:木纤维的整体尺寸、平均长径比及40～80目纤维质量占总质量的百分比均随着杨木单板含水率的增加而逐渐增大。WPC力学强度随着杨木单板初含水率递增呈先增加后降低的趋势，并在初含水率为30％时达到最大值;此外，当杨木单板作为原料时，以其纤维为增强材料制备的WPC，力学强度均略低于以松木单板为初始原料制备的WPC。
　　(3)采用正交试验法，分别通过极差、方差、显著性分析考察了木纤维高温高压蒸汽改性工艺对WPC力学性能的影响。结果表明:高温高压蒸汽改性处理后的木纤维，可提高纤维与塑料基体间的界面结合强度，并随着改性温度、蒸汽压力及处理时间增加WPC力学性能逐渐增大，其最佳改性工艺条件为改性温度170℃，蒸汽压力0.8MPa，处理时间20min。该条件下处理的木纤维与未处理木纤维制备的WPC相比，其拉伸、弯曲、冲击强度分别增幅18.5％、13.66％和16.17％;而与未改性WPC相比，改性后WPC吸水性及厚度膨胀率降低较为明显，下降幅度依次为42.11％、55.89％;高温高压蒸汽改性处理可使木纤维的综纤维素含量、PH值逐渐减少，相对结晶度、热稳定性明显增大。此外，随着改性温度、蒸汽压力及处理时间增加，WPC存储模量、消耗模量也明显提高。
　　(4)通过木纤维有机硅烷改性对WPC性能影响的研究，重点考察比较了5种典型的具有不同官能团结构的有机硅烷对木纤维的改性效果，以及改性后木纤维对WPC界面相容性及力学等性能的影响，揭示了不同官能团结构的有机硅烷的改性机理。结果表明:在实验范围内，WPC力学强度随着有机硅烷添加量的增加，呈逐渐增大的趋势，且在添加量为5％时达到最大值，与未改性WPC相比，改性后复合材料的拉伸、弯曲及冲击强度分别提高了22.6％、18.82％及20.5％;在此条件下，改性后的WPC吸水性及厚度膨胀率降低比较明显，下降幅度分别为51.75％、59.26％;木纤维经不同官能团结构的有机硅烷改性处理后WPC界面相容性、力学性能均显著提高，其中A-171处理效果最好，且改性效果优于高温高压蒸汽改性。
　　(5)通过木纤维高温高压蒸汽/有机硅烷复合改性处理对WPC性能影响的研究，考察了不同工艺条件复合改性处理的木纤维对WPC界面相容性及力学等性能的影响。结果表明:经复合改性处理后的木纤维，可大幅度提高WPC的力学性能、存储模量及损耗模量等性能，且改性效果优于单一有机硅烷改性或高温高压蒸汽改性处理木纤维制备的WPC。其中，在实验研究范围内，当处理温度为170℃，蒸汽压力为0.8MPa，偶联剂添加量为2％时，WPC力学性能最佳，主要表现在其拉伸、弯曲、冲击强度与未改性WPC相比分别提高了36.83％、22.98％及39.58％;改性后的WPC吸水性及厚度膨胀率降低显著，下降幅度分别为59.12％、68.91％。通过综合比较，高温高压蒸汽、有机硅烷复合改性处理木纤维效果好，显著改善和提高了WPC力学性能及热稳定性能，降低了偶联剂添加量，为高性能WPC的制备提供了完善的木质纤维复合改性体系。

目录

摘要

1 绪论

1．1 木塑复合材料国内外研究现状

1．2．1 木塑复合材料性能特点

1．2．2 木塑复合材料应用

1．3 木塑复合材料用木粉／木纤维的加工及粉碎装备

1．3．1 木塑复合材料用木粉粉碎装备

1．3．2 生产中木塑复合材料用木粉几何形态分析

1．4 木纤维改性处理

1．4．1 化学改性方法

1．4．2 物理改性方法

1．5 研究目的及意义

1．6 主要研究内容及创新点

2 木纤维定向制备及不同原料纤维几何形态对木塑复合材力学性能的影响

2．1 引言

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 实验方法

2．3．1 木纤维粉碎机制备的木纤维形态分析

2．3．2 不同原料对制备木纤维几何形态的影响

2．3．3 木纤维几何形态与尺寸对木塑复合材料性能的影响

2．3．4 不同初含水率原料制备的木纤维对木塑复合材料力学性能的影响

2．3．5 不同形态原料制备的木纤维对木塑复合材料力学性能的影响

2．3．6 WPC断面微观形貌分析

2．4 本章小结

3 高温高压蒸汽改性工艺条件对木塑复合材料性能的影响

3．1 引言

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器与设备

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 高温高压蒸汽最佳改性工艺的确定

3．3．2 高温高压蒸汽改性对木纤维综纤维素含量影响

3．3．4 高温高压蒸汽改性的红外光谱分析

3．3．5 高温高压蒸汽改性对木纤维相对结晶度的影响

3．3．6 高温高压蒸汽改性对木塑复合材料热稳定性的影响

3．3．7 高温高压蒸汽改性木塑复合材料微的观形貌分析

3．3．8 高温高压蒸汽改性对木塑复合材料动态热机械性能的影响

3．3．9 高温高压蒸汽改性对木塑复合材料吸水率及厚度膨胀率的影响

3．4 本章小结

4 木纤维有机硅烷改性对木塑复合材料性能的影响

4．1 引言

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器与设备

4．2．3 实验方法

4．3．1 有机硅烷改性木纤维的红外光谱分析

4．3．2 有机硅烷改性对木塑复合材料热稳定性的影响

4．3．3 不同添加量有机硅烷改性对木塑复合材料力学性能的影响

4．3．4 不同种类有机硅烷改性对木塑复合材料力学性能的影响

4．3．5 有机硅烷改性对木塑复合材料微观形貌分析

4．3．6 有机硅烷改性对木塑复合材料吸水率及厚度膨胀率的影响

4．3．7 本章小结

5 木纤维高温高压蒸汽／有机硅烷复合改性及其对木塑复合材性能影响

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验原料

5．2．2 实验仪器与设备

5．2．3 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 复合改性木纤维的红外光谱分析

5．3．2 复合改性木纤维的光电子能谱分析

5．3．3 复合改性对木纤维相对结晶度的影响

5．3．4 复合改性处理对木塑复合材料热稳定性的影响

5．3．5 复合改性处理对木塑复合材料力学性能的影响

5．3．6 复合改性木塑复合材料微观形貌分析

5．3．7 复合改性处理对木塑复合材料动态热机械性能的影响

5．3．8 复合改性处理对木塑复合材料吸水率及厚度膨胀率的影响

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

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