基于壳聚糖改性杨木粉/HDPE复合材料制备与性能研究

摘要

木塑复合材料(WPC)，以木质材料和塑料为主要原料经过熔融挤出、压制成型、注塑和热压等加工成型制备的一种生物质复合材料，最早出现在第二次世界大战期间，被认为是一种高附加值、低碳绿色环保复合材料。然而，常规木塑复合材料存在易燃、耐紫外光老化性差及在室外潮湿环境中使用易遭菌蚀等缺陷，这使其在应用过程中受到了限制，新型多功能的木塑复合材料已经成为今后研究的重点之一。
　　本文采用硼酸和硼砂混合物(BA/BX)作为阻燃抑菌剂，壳聚糖(CS)作为抑菌及界面相容协效剂，杨木粉为基体，添加其他助剂，采用双螺杆熔融混合造粒，然后采用单螺杆挤出机挤出成型制备抑菌阻燃木塑复合材料。使用SEM对复合材料断面形貌进行了分析，采用红外光谱对其结构进行了分析，对比研究了壳聚糖、硼酸和硼砂混合物添加量对复合材料的物理力学性能、阻燃性及热稳定性、抑菌性和表面颜色耐紫外光老化性能的影响。研究结果表明，(1) CS添加量对复合材料弯曲强度有显著的影响，而对抗拉强度影响不显著，CS添加量为6％、12％、18％的综合力学性能较好，即通过调整CS与木粉含量的配比，可以制备不同力学性能的复合材料。含有CS时BA/BX混合物含量对复合材料抗拉、弯曲强度和弯曲模量有显著的影响，而不含CS时BA/BX混合物含量仅对复合材料抗拉强度有显著的影响，力学性能随BA/BX混和物添加量的增加而减小，壳聚糖添加量为6％，BA/BX混合物添加量为3％的复合材料力学性能较好。(2) SEM断面形态分析结果表明，力学性能好的断面变模糊，空洞变少，其中，添加6％CS，3％BA/BX混和物的还存在撕裂现象，界面结合力好，发生了酯化反应，与前面力学性能结果一致。(3)红外光谱分析结果表明，CS和BA/BX混合物对复合材料结构有影响，与前面的对力学性能和SEM断面形貌分析结果相吻合，其中添加6％CS，3％BA/BX混和物的在1660cm-1出现了酯键的吸收峰，表明CS和BA/BX混合物具有协效作用。(4)复合材料的密度随CS添加量的增加而增大然后趋于一定值，密度变化范围在1.16g/cm3到1.21g/cm3; CS与BA/BX混和物组合对密度影响较小，密度范围在1.20 g/cm3到1.24 g/cm3;复合材料的吸水率随CS添加量的增加而成波动性的变化，添加16％CS的和添加12％CS与3％BA/BX混和物组合的吸水率较小;CS、BA/BX混和物对复合材料吸水厚度膨胀率影响与吸水率一致。(5) MAPE添加量对复合材料的物理力学性能影响较大，MAPE添加量为4％时，物理力学性能最佳。(6)添加BA/BX混合物可以改善复合材料的阻燃性，随着BA/BX混合物含量的增加，热释放速率逐渐降低，质量损失率逐渐降低，点燃时间先减小后增加再减小，CO和CO2的转化率和生成量降低。其中添加12％BA/BX混合物的阻燃性最好，热释放速率、质量损失速率和烟生成速率比未添加的分别降低了17.68％、10.71％和9.07％;而BA/BX混合物含量为9％的点燃时间最长为44S，比没有添加的37S提高了18.9％。(7)含6％CS的和不含CS的，BA/BX混合物添加量不同的木塑复合材料的TGA曲线和DTG变化趋势类似;600℃残留率都随着BA/BX混合物的增加而增加，添加12％BA/BX混合物的复合材料的残留率最大，添加6％CS的比未添加CS的残留率要高。(8)复合材料△E和△L值随CS添加量的变化为非线性关系，而成波动性的变化。添加8％CS的木塑复合材料老化300h和500h的△E、△L值最小;紫外老化300h和500h，添加BA/BX混和物的木塑复合材料的△E和△L值均比未添加BA/BX混和物的高，除添加3％BA/BX混和物的外。总体而言，添加CS和BA/BX混合物的木塑复合材料表面颜色抗紫外老化性能优于未添加CS只添加BA/BX混合物的。(9)硼酸与硼砂混和物能够明显改善复合材料的抑菌性能，随着BA/BX添加量的增加抑菌质量损失率降低;CS与BA/BX混合物联用抑菌效果最佳，SEM表面形貌分析结果一致。
　　综上所述，添加适量的CS和BA/BX混合物，不但改善了高密度聚乙烯和木粉的相容性，而且提高了木塑复合材料的抑菌阻燃性。这表明使用CS和BA/BX混合物作为抑菌阻燃剂制备木塑复合材料的方法是制备抑菌阻燃功能性木塑复合材料的一种可行的方法。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 木塑复合材料界面改性研究现状

1．2．1 物理改性方法

1．2．2 化学改性方法

1．3 木塑复合材料阻燃性研究现状

1．4 木塑复合材料老化抑菌研究现状

1．5 木塑复合材料原料

1．5．1 增强材料

1．5．2 聚合物

1．5．3 辅助添加材料

1．6 本课题研究的意义和内容

1．6．1 课题研究的意义

1．6．2 课题研究主要内容

2 复合材料制备

2．1 引言

2．2 试验部分

2．2．1 主要仪器设备

2．2．2 主要原料及试剂

2．2．3 复合材料的配方

2．3 复合材料制备工艺

2．4 本章小结

3 复合材料物理力学性能研究

3．1 引言

3．2 试验部分

3．2．1 主要仪器设备

3．2．2 力学性能的测试

3．2．3 物理性能测试

3．2．4 实验数据分析处理

3．3 结果与分析

3．3．1 壳聚糖含量对复合材料力学性能影响

3．3．2 硼酸和硼砂混合物含量对复合材料力学性能影响

3．3．3 壳聚糖和硼酸与硼砂混合物含量对复合材料力学性能影响

3．3．4 MAPE含量对复合材料力学性能影响

3．3．5 复合材料密度分析

3．3．6 复合材料吸水率分析

3．3．7 复合材料吸水厚度膨胀率分析

3．4 本章小结

4 复合材料界面相容性表征

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要仪器设备

4．2．2 扫描电镜测定

4．2．3 复合材料红外光谱测定

4．2．4 接触角测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 SEM断面形貌分析

4．3．2 复合材料红外光谱分析

4．3．3 复合材料接触角分析

4．4 本章小结

5 复合材料阻燃性研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1主要仪器设备

5．2．2 锥形量热法测试

5．2．3 热稳定性测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 BA／BX混合物含量对热释放率的影响

5．3．2 BA／BX混合物含量对点燃时间的影响

5．3．3 BA／BX混合物含量对质量损失速率的影响

5．3．4 BA／SX混合物含量对抑烟的影响

5．3．5 BA／BX混合物含量对复合材料CO的抑制作用

5．3．6 BA／BX混合物含量对复合材料CO2的抑制作用

5．3．7 复合材料热重分析

5．3．8 复合材料热解过程的热动力学分析

5．4 本章小结

6 复合材料表面紫外光老化研究

6．1 引言

6．2 试验设备

6．3 试验方法

6．3．1 紫外老化测试

6．3．2 色度测试

6．4 结果与讨论

6．4．1 CS添加量对木塑复合材料表面颜色的影响

6．4．2 BA／BX混合物添加量对木塑复合材料表面耐老化性的影响

6．4．3 CS与BA／BX混合物添加量对复合材料表面耐老化性的影响

6．5 本章小结

7 复合材料抑菌性研究

7．1 引言

7．2 试验设备

7．3 试验方法

7．3．1 试样的制备

7．3．2 白腐菌和褐腐菌的培养

7．3．3 抑菌试验

7．3．4 抑菌后材料表面SEM分析

7．4 结果与讨论

7．4．1 壳聚糖含量对复合材料抑菌性影响

7．4．2 BA／BX混合物含量对复合材料抑菌性影响

7．4．3 抑菌前后SEM表面形貌分析

7．5 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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