生物质纤维定向制备及其几何形态对木塑复合材力学性能的影响

摘要

木塑复合材料（Wood-plastic Composites简称WPC）作为一种新型的绿色环保材料，具有优异的性能，是木材的理想代用品。高质量的生物质纤维，不仅使WPC具有较好的力学性能，而且赋予WPC优异的外观性。我国生物质资源极其丰富，如何充分高效的利用生物质资源，是众多专家学者研究的热点问题之一。本研究重点围绕WPC用的木纤维定向制备展开系统、深入的研究，主要探讨了生物质微细纤维定向制备装备——木纤维粉碎机的工作原理及其加工方式，并根据原料的性能特点，就生物质微细纤维的定向制备工艺进行了系统研究，考察了不同含水率（分别约为10％、20％、30％、40％和50％）、不同树种（杨木和松木）和不同形态（单板和木片）的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，旨在建立生物质原料的初含水率、树种和形态与纤维形态、几何尺寸等之间的相关关系，以期构建先进的生物质微细纤维定向制备技术体系，为生物质资源的大规模高效利用技术、以及WPC及其下游产品的整个产业提供技术支撑和原料保障。具体研究内容如下:
　　(1)项目组针对现有木粉机的加工原理和产品性能，经过充分论证、最终采用了揉搓碾轧式的加工原理，并通过对其合理的改进、设计制造了木纤维粉碎机，主要包括粉碎主机、风机、螺旋分离器、卸料器、筛选机、除尘器、控制柜等部件，其性能优异、配置合理。该粉碎装备加工的木纤维在几何形态等方面可以满足高质量WPC用木纤维的要求。
　　(2)通过对不同原料制备的木纤维进行分析表明，随着杨木单板初含水率的增加，不同目数木纤维的几何尺寸（包括长度及直径）都明显变增大，粉体状纤维所占比例逐渐减小，当初含水率为50％时，粉体状纤维所占比例达到最低、可忽略不计;不同形态的原料对制备的木纤维质量略有影响，松木单板粉碎制备出的纤维长度和直径比松木木片制备的纤维稍大。
　　(3)考察了木纤维直径对木纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响，结果显示，随着木纤维直径的增加，WPC拉伸强度、断裂伸长率、弯曲性能、弯曲模量及冲击强度均呈现增加后减少的趋势，其中拉伸强度、断裂伸长率在0.29mm时出现最大值，弯曲性能、弯曲模量及冲击强度均在0.21mm时出现最大值。WPC的密度会呈现随木纤维直径增大略有下降，降幅为4.27％。当木纤维直径为0.21mm＜d≤0.29mm（60目＜h≤80目）、长径比为5～8时可赋予WPC较好的力学性能。
　　(4)通过研究不同原料制备的木纤维对WPC力学性能的影响，结果表明，以木纤维为增强材料的WPC，冲击强度、拉伸强度以及弯曲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，WPC的冲击强度、拉伸强度及弯曲强度达到最大值;此外，当松木单板作为原料时，以其纤维为增强材料制备的WPC，冲击强度、拉伸强度及弯曲强度均略低于以松木木片为初始原料制备的WPC;无论是拉伸强度、弯曲强度还是冲击强度，以松木纤维为基体的WPC都要高于以杨木纤维为基体的WPC。

目录

摘要

1 绪论

1．1 木塑复合材料国内外研究现状

1．1．1 国外研究现状

1．1．2 国内研究现状

1．2 木塑复合材料性能特点

1．3 木质纤维特点及其对材料性能的影响

1．3．1 木塑复合材常用木纤维种类及几何尺寸

1．3．2 木纤维含水率对复合材料质量的影响

1．4 主要研究内容及意义

2 木纤维定向制备装备的设计

2．1 木粉／木纤维粉碎装备现状

2．2 传统木塑复合材用的木粉品质分析

2．3 生物质微细纤维定向制备装备——木纤维粉碎机

2．3．1 木纤维粉碎机性能参数及工作原理

2．3．2 木纤维粉碎机各部件的结构特点

2．4 本章小结

3 不同原料对制备木纤维几何形态的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 实验原料

3．1．2 仪器装备

3．2 结果与讨论

3．2．1 不同含水率原料对木纤维质量的影响

3．2．2 不同形态原料对木纤维质量的影响

3．3 本章小结

4 木纤维几何形态与尺寸对木塑复合材性能的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验装备

4．1．3 实验方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 木纤维直径与几何形态分析

4．2．2 木纤维直径对复合材料性能的影响

4．3 本章小结

5 不同原料制备的木纤维对复合材料力学性能的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 实验原料

5．1．2 仪器装备

5．2 结果与讨论

5．2．1 不同含水率原料对木塑复合材力学性能的影响

5．2．2 不同含水率原料对木塑复合材弯曲性能的影响

5．2．3 电镜图微观形貌分析

5．3 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

声明