亚麻屑/高密度聚乙烯复合材料的挤出和老化性能研究

摘要

本研究利用亚麻屑和高密度聚乙烯挤出亚麻屑/HDPE复合材料，应用单双螺杆挤出机的两步法工艺、采用单因素实验确定最佳工艺和最优配方，制备出亚麻屑/HDPE木塑复合地板，通过SUNTEST XXL氙灯老化仪对复合材料进行紫外加速老化，测试氙灯老化前后弯曲强度、冲击强度、拉伸强度、密度、接触角变化、吸水厚度膨胀率和表面颜色等物理力学性能;利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱技术分析复合材料老化前后的微观结构形貌和极性基团变化，从微观角度说明复合材料的物理力学性能变化规律，完善复合材料的挤出工艺。以该配方和工艺条件为依据，利用BHMS木塑挤出机的一步法工艺，挤出亚麻屑/HDPE复合地板，将其放置于室外，测试自然老化前后物理力学性能，并对加速老化和自然老化的分析结果进行比对，分析其规律。主要进行的研究工作如下:
　　1、通过单因素实验，测试不同亚麻屑含量复合材料的力学性能。随着亚麻屑质量含量的增加，复合材料力学性能呈现先增强后减弱的趋势，亚麻屑含量为60％的复合材料力学性能最好，确定出最佳工艺参数和配方。
　　2、通过两步法工艺，添加抗老化剂UV531和颜料铁红挤出亚麻屑/HDPE木塑复合材料。紫外线吸收剂UV531是一种性能卓越的高效防老化助剂，对聚合物有最大的保护作用，并有助于减少颜色变化，同时阻滞材料物理力学性能损失。当亚麻屑含量为60％、添加剂为UV531时，复合材料的物理力学性能较好;随着老化时间的增加，木塑复合材料的颜色变白、变浅，老化导致木塑复合材料力学性能降低;抗老化剂UV531和颜料铁红对木塑复合材料均有一定的抗老化作用。
　　3、根据初步配方试验和分析，进一步完善挤出的工艺参数和配方，采用一步法工艺，挤出截面为空心圆孔型的木塑复合地板，并将挤出的复合地板放置于室外进行自然老化。通过对一年的老化结果分析得出:当亚麻屑含量为70％、添加剂为UV531时，老化后弯曲破坏载荷为33.00MPa，老化前后降幅最小，为0.75％，复合材料的抗弯曲破坏载荷能力较好;当亚麻屑含量为65％、添加剂为UV531时，复合材料的落球冲击直径增幅最小，为1.3％，此时复合地板抗冲击能力较好。
　　4、对比相同配方不同截面的两种复合材料自然老化和氙灯老化力学性能，可以看出，自然老化一年与加速老化1000h，复合材料颜色变化程度相近，但是自然老化受到季节、天气与各种不确定因素影响较大，不易控制;对于弯曲性能来说，自然老化后，亚麻屑含量为60％、添加剂为UV531的复合地板弯曲破坏载荷上升了2.4％，而氙灯老化后，亚麻屑含量为60％、添加UV531复合材料弯曲强度下降了19.09％，两者降幅差距较大，氙灯老化1000h对复合材料的老化效果大于自然老化一年;自然老化中，复合地板的常温落球冲击老化前后浮动幅度为7.4％;而氙灯老化中，复合材料冲击强度浮动幅度为54.9％。可以看出，氙灯老化1000h对复合材料冲击性能的老化效果远远大于自然老化一年的效果。
　　5.观察60％亚麻屑复合材料不同填料的老化后表面SEM照片，可以清晰看出，未添加抗老化剂的表面老化后有明显的裂纹和缺陷，添加UV531和铁红的表面相对平整，裂纹和缺陷的严重程度轻很多，细小而浅显，说明UV531和铁红有很好的抗老化效果。观察老化后填料不同的复合材料内部形貌，分别添加UV531和铁红的复合材料比未添加的相容性要好，部分HDPE已经填充到亚麻纤维管孔中，充分的结合使其力学性能获得显著提高。
　　6.红外光谱图在1740 cm-1处吸收峰为羰基C=O吸收峰，添加UV531和铁红后C=O吸收峰增强，表明材料表面的C=O结构增加;在1057 cm-1处的特征峰为O-H吸收峰，这说明在木塑复合材料的表面层中存在有大量羟基基团，羟基是个强极性基团，对比老化后谱带，能够看出O-H吸收峰强度有一定程度下降，说明处理后材料表面的O-H键发生断裂，材料表面有活性自由基生成。在990cm-1附近的吸收峰为烯烃=CH的面外弯曲振动所致，老化前不太明显，老化后峰的强度增大，说明产生了新的化合物R1HC=CHR2。

目录

摘要

1 绪论

1．1 生物质复合材料概述

1．1．1 生物质复合材料的定义及优缺点

1．1．2 生物质复合材料的发展历史

1．1．3 生物质复合材料的发展趋势

1．4．4 生物质复合材料的应用前景

1．1．5 生物质复合材料挤出成型技术

1．1．6 木塑复合地板发展及其应用

1．2 亚麻屑的性质、发展及展望

1．2．1 亚麻屑的性质

1．2．2 亚麻屑利用的发展及展望

1．3 高密度聚乙烯

1．3．1 高密度聚乙烯性质及应用现状

1．3．2 高密度聚乙烯的研究进展

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外的研究进展

1．5 研究亚麻屑／HDPE复合材料的目的和意义

1．6 本文的主要内容及研究方法

1．6．1 研究主要内容

1．6．2 研究主要方法

2 实验材料与方法

2．1 实验材料与仪器设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验设备及仪器

2．2 亚麻屑／HDPE复合材料的物理力学性能检测方法

2．2．1 物理力学性能检测

2．2．2 接触角与润湿性能测试

2．2．3 老化性能检测

2．2．4 微观性能检测

3 亚麻屑／HDPE复合材料的挤出工艺的探讨

3．1 亚麻屑／HDPE复合材料

3．1．1 材料的预处理

3．1．2 两步法挤出工艺与设备

3．1．3 亚麻屑含量对复合材料力学性能的影响

3．1．4 亚麻屑／HDPE复合材料的配方研究

3．2 亚麻屑／HDPE木塑复合地板的挤出工艺

3．2．1 一步法挤出工艺

3．2．2 一步法挤出设备

3．3 本章小结

4 添加剂对亚麻屑／HDPE复合材料老化性能的影响

4．1 亚麻屑／HDPE复合材料氙灯老化性能分析

4．1．1 复合材料力学性能分析

4．1．2 复合材料密度分析

4．1．3 复合材料吸水厚度膨胀率性能分析

4．1．4 复合材料接触角与润湿性能分析

4．1．5 复合材料老化前后颜色对比分析

4．2 亚麻屑／HDPE复合地板自然老化力学性能分析

4．2．1 复合地板弯曲破坏载荷性能分析

4．2．2 复合地板常温落球冲击性能分析

4．2．3 复合地板自然老化前后颜色对比分析

4．3 亚麻屑／HDPE复合材料自然老化与氙灯老化性能比较分析

4．3．1 复合材料自然老化弯曲破坏载荷与氙灯老化弯曲强度比较分析

4．3．2 自然老化的常温落球冲击与氙灯老化冲击强度比较分析

4．3．3 自然老化与氙灯老化颜色比较分析

4．4 本章小结

5 添加剂对亚麻屑／HDPE复合材料微观性能的影响

5．1 扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观性能分析

5．1．1 SEM对复合材料老化前后断面的分析

5．1．2 SEM对复合材料老化后表面的分析

5．2 傅里叶变换红外光谱(FTIR)对复合材料的微观性能分析

5．2．1 傅里叶变换红外光谱分析原理

5．2．2 傅里叶变换红外光谱(FTIR)对复合材料的性能分析

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

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