羧甲基纤维素-甲基丙烯酸甲酯接枝共聚物的合成及应用

摘要

利用羧甲基纤维素(CMC)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)在水介质中用过硫酸钾为引发剂，合成稻壳-水泥复合材料的植物纤维表面处理剂羧甲基纤维素接枝甲基丙烯酸甲酯（CMC-g-PMMA）。
　　接枝聚合得到CMC-g-PMMA乳液，傅立叶红外光谱证明MMA成功的接枝到了CMC上。探索了反应条件，利用不同条件下合成CMC-g-PMMA的傅立叶红外光谱分析了引发剂用量、反应物比例对该自由基聚合反应的影响。结果证明:羧甲基纤维素接枝甲基丙烯酸甲酯反应的最佳条件是温度80℃，pH值为9。实验范围内，引发剂用量对于该反应的影响较小。
　　分析了反应机理，描述了反应历程。该反应共分为四部:S2O82-分子分解成SO4-·;SO4--·自由基向CMC-OH转移;CMC-O·活性种引发MMA聚合;MMA进行聚合形成侧链。扫描电子显微镜照片为反应发生提供重要佐证。并根据能量散射X射线分析谱图计算了平均每个葡萄糖环上MMA结构单元数。
　　通过热重分析研究了反应物和产物的热解行为，进行了CMC-g-PMMA非等温热解动力学计算，其热解过程为自催化反应。表观活化能E为41.96kJ/mol，lnA为17.31。热分析结果证明了接枝反应的成功。
　　CMC-g-PMMA的X射线衍射谱图(XRD)表明，甲基丙烯酸甲酯单元引入后，羧甲基纤维素的空间位阻效应变大，结晶度降低。MMA单体首先在CMC的非晶表面区域发生了自由基引发聚合反应，然后发生链增长反应。品格的进一步破坏应是与MMA链增长反应同时进行的。甲基丙烯酸甲酯的链增长发生在接枝反应之后，扩大了无定型区的比例，从而结晶度降低。这一点与推测的反应机理相符。XRD谱图证明，产物中没有其他晶体生成，所有MMA全部参加了接枝反应。说明这一反应具有很好选择性。X射线衍射谱图为反应的进行提供了重要证据，也证明上述反应机理的正确性。
　　采用CMC-g-PMMA作为植物纤维表面处理剂，并与水泥制成复合材料。对复合材料的密度、抗折性能、断面表面形貌（SEM法）、吸声性能、保温性能和燃烧性能（锥形量热仪法）进行了测试和分析。结果表明，添加CMC-g-PMMA可大幅度提高植物纤维水泥复合材料的抗折强度和模量，当稻壳纤维含量为20％，CMC-g-PMMA添加量为1％时，抗折强度和模量分别为未添加CMC-g-PMMA试样的2.27倍和2.71倍。
　　探讨了CMC-g-PMMA增强植物纤维水泥复合材料的机理。CMC-g-PMMA改善了稻壳与水泥的相容性，稻壳与水泥结合的更加紧密;另外，CMC-g-PMMA阻塞了稻壳表面的微孔，抑制稻壳中阻凝成分的析出，并在水泥复合材料中形成聚合物网膜，提高了水泥复合材料性能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 高聚物作为水泥复合材料添加剂的历史与现状

1．1．1 高聚物作为水泥复合材料添加剂的历史

1．1．2 主要的水泥混凝土复合材料高聚物助剂

1．1．3 聚合物水泥混凝土的结构形成机理

1．2 植物纤维-水泥复合材料的研究背景

1．2．1 木材资源的短缺

1．2．2 低值天然高分子资源的利用

1．2．3 节能建材的推广和环境效益

1．2．4 植物纤维—水泥复合材料的发展

1．2．5 发展前景

1．2．6 存在问题

1．3 本论文研究的主要内容

2 羧甲基纤维素-甲基丙烯酸甲酯共聚物的合成

2．1 实验材料与设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验设备及仪器

2．2 羧甲基纤维素的分析

2．2．1 羧甲基纤维素的含水率(w)

2．2．2 羧甲基纤维素的含量(p)

2．2．3 羧甲基纤维素的取代度(r)

2．3 合成实验

2．4 反应机理

2．5 傅立叶红外光谱(FTIR)分析

2．6 本章小结

3 羧甲基纤维素-甲基丙烯酸甲酯接枝物的表征

3．1 实验材料与设备

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验设备及仪器

3．2 表征与性能测试方法

3．2．1 傅立叶红外光谱(FTIR)分析

3．2．2 X-RAY射线衍射(XRD)

3．2．3 扫描电子显微镜-能量散射X射线分析(SEM-EDXA)

3．2．4 热分析(TG and DSC)

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同温度、pH值对接枝共聚反应影响

3．3．2 傅立叶红外光谱(FTIR)分析

3．3．3 X射线衍射分析

3．3．4 CMC-g-PMMA表面形貌观察(SEM)和能量散射X射线分析(EDXA)

3．3．5 热分析及热解动力学

3．4 本章小结

4 羧甲基纤维素-甲基丙烯酸甲酯共聚物在植物纤维水泥复合材料中的应用

4．1 实验材料与设备

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验设备及仪器

4．2 稻壳纤维-水泥复合材料的制备

4．3 稻壳纤维-水泥复合材料性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 密度与力学性能

4．4．2 声学性能

4．4．3 阻燃性能

4．4．4 保温性能

4．5 本章小结

5 羧甲基纤维素-甲基丙烯酸甲酯共聚物对植物纤维水泥复合材料作用探讨

5．1 实验材料与设备

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验设备及仪器

5．2 表征与性能测试方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同助剂对稻壳的处理效果

5．3．2 复合材料表面形貌观察

5．3．3 不同助剂对水泥水化曲线的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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