麦秸纤维/聚丙烯复合材料制造工艺与性能研究

摘要

本论文以聚丙烯(PP)为基体物质、以麦秸纤维为增强材料，制造麦秸纤维／PP复合材料，探讨了热磨、改性处理、工艺条件对麦秸纤维／PP复合材料性能的影响。 在麦秸纤维的制备过程中，采用中密度纤维板热磨系统分离麦秸纤维，蒸汽压力分别为0.4、0.6、0.8、1MPa，磨盘的转速分别为2500和3000rpm，磨盘间隙为O．1和O．05mm，对麦秸纤维的形态和化学性能进行测试，优化热磨条件。对麦秸纤维进行改性处理并试制麦秸纤维／PP复合材料。处理方法分别为：碱处理(处理剂为NaOH水溶液，其浓度分别为2、4、6、8、10％，温度为20℃、45℃)，乙酰化处理(处理剂为乙酸酐，处理时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 h)及2％的马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)改性处理，对处理前后的麦秸纤维及其麦秸纤维／PP复合材料的特性进行分析，优化处理方法和处理工艺。在麦秸纤维／PP复合材料的制造过程中，工艺条件为麦秸纤维的添加量(10、20、30、40、50％)、MAPP的添加量(1、2、5、10％)和麦秸纤维的尺寸形态(<9、9-28、28-35、>35目)，对不同工艺条件下试制的麦秸纤维／PP复合材料进行性能分析。 本研究得到的结论归纳如下： 1) 随着蒸汽压力从0.4MPa提高至1MPa、盘磨转数从2500rpm提高至3000rpm，细小纤维所占的比例由66.8％降至51.1％，麦秸纤维的直径从28.5μm降至23.5μm，长度为0.30-0.42mm，长宽比为11.2-17.7，弯曲指数为0.15-0.17，缠结指数为1.54-2.04。麦秸纤维的pH值降至4.4-4.8，呈酸性，酸缓冲容量由42.38降至12.37-15.24，而碱缓冲容量没有明显变化。麦秸纤维组成成分中硅含量由5.04％降至1.7-2.2％。当麦秸纤维暴露在170℃以上的环境中时开始热解，当温度升高至370℃时，纤维各组成成分发生剧烈热解，尤其以纤维素热解为突出。采用蒸汽压力为0.8MPa，磨片转数为2500rpm时分离得到的麦秸纤维作为麦秸纤维／PP复合材料的增强材料。 2) 碱化处理能够溶解掉大量的半纤维素，使得麦秸纤维表面产生细小孔洞。当碱处理温度由20℃升高至450c时，重量损失率(WPL，)由26.7％增加至34.6％，当NaOH溶液的浓度由2％增加至10％时，WPL，由34.6％增加至45.0％。乙酰化处理和MAPP接枝处理均通过酯化作用取代了部分羟基。乙酰化处理时，随着处理时间从0.5h增加至4h时，麦秸纤维的酯化增重率从5.3％增加至14.4％。处理前后麦秸纤维在170℃、190℃、210℃和230℃时等温1h后的TG图谱显示，未经预处理的麦秸纤维的WPL，为6.1％、8.8％、11.6％和19.7％，碱化处理的麦秸纤维的WPL为5.0％、5.6％、6.7％和9.9％，乙酰化处理的麦秸纤维的WPL为2.6％、4.7％、7.3％和15.4％，MAPP预处理的麦秸纤维的WPL，为4.3％、6.0％、9.3％和16.5％。预处理有利于提高麦秸纤维的热稳定性。 3) 碱处理和MAPP处理的麦秸纤维，均可提高麦秸纤维／PP复合材料的拉伸性能，当麦秸纤维经两者共同改性处理后，拉伸性能改善最明显，其拉伸模量、拉伸强度、拉伸断裂伸长率分别达到1491.7MPa、32.24MPa、4.95％。动态力学性能分析表明，麦秸纤维的加入可以提高麦秸纤维／PP复合材料的储能弹性模量(E’)，降低损耗系数(tanδ)。麦秸纤维分别经碱化处理后，在25-150℃的范围内，其复合材料的E1为2.27-0.37GPa，tanδ为0.038-0.095；经MAPP处理后，其复合材料的E1为2.26-0.34GPa，tanδ为0.038-0.089；经乙酰化处理后，其复合材料的E1为2.25-0.37GPa，tanδ为0.041-0.104。差示扫描量热仪测试表明，麦秸纤维的加入可以提高麦秸纤维7PP复合材料的结晶速率，但结晶率有所下降。当麦秸纤维经碱化处理和MAPP接枝处理共同作用后，麦秸纤维／PP复合材料的结晶温度增加至125.70c。热流变特性研究表明，碱化处理后其复合材料的粘度最高，为7.2x104pa．s MAPP处理有利于纤维在基体中的均匀分散，复合材料的粘度降低至3.1×104pa．s。 4) 当麦秸纤维添加量从10％增加至30％，麦秸纤维／PP复合材料的拉伸模量从1215MPa逐渐增加至1986MPa，拉伸强度从29.96MPa逐渐增加至34.31MPa，拉伸断裂伸长率从6.36％逐渐降至3.38％。当麦秸纤维添加量从10％增加至40％时，麦秸纤维／PP复合材料的弯曲模量从1790MPa增加至3437MPa；当添加量达到50％时，麦秸纤维／PP复合材料的弯曲模量和拉伸性能均下降。当麦秸纤维从10％增加至50％，复合材料的E'从2.08GPa增加至4.12GPa，tant5从0.039降至0.03，结晶温度从120.9℃逐渐增加至126.1℃，但结晶度从46.9％递减至31％。此外，麦秸纤维的加入可以增加体系的粘度，在170℃、0.01 s-1时，当麦秸纤维含量从10％增至30％，复合材料的粘度从7.4x 103Pa．s增加至4.4x 104Pa．s.SEM研究表明：随着麦秸纤维含量的增加，麦秸纤维在整个体系中团聚现象越来越明显，分布越来越不均匀，在纤维含量较高(大于30％)时，麦秸纤维从基体中拔出的现象越来越明显。 5)当MAPP添加量从1％增加至10％，麦秸纤维／PP复合材料的拉伸强度从30.85MPa增加至34.01MPa，但拉伸断裂伸长率有所升高，达到4.89％；当MAPP的添加量为2％时，麦秸纤维／PP复合材料的弯曲模量达到最大，为2138MPa。MAPP可以加速麦秸纤维的成核过程，麦秸纤维7PP复合材料的结晶温度提高了约1℃，结晶度增加了4-8％。当MAPP添加至纤维与基体中后，由于本身具有较高的熔融指数，其流动性能很强，整个体系的流动性能加强，复合材料的粘度为2.2x104-3.1×104pa．sa随着温度和频率的增加，麦秸纤维／PP复合材料的粘度降低。 6) 当麦秸纤维分别以9-28目、28.35目的形态添加至PP基体中时，增强效果较好，麦秸纤维／PP复合材料的拉伸性能较高，其拉伸模量、拉伸强度、拉伸断裂伸长率分别达到1439MPa、30.51MPa、4.28％和1451MPa、30.36MPa、4.61％。麦秸纤维的形态与麦秸纤维JPP复合材料的弯曲模量的变化不呈相关性。当麦秸纤维以小于9目的形态添加至PP基体中时，麦秸纤维]PP复合材料的弯曲模量达到最大，为2368MPa。麦秸纤维以28.35目的形态作为增加相，PP的结晶温度为122.7℃，同时结晶率也最高，为45.8％。麦秸纤维以大于28目的形态作为增加相，麦秸纤维JPP复合材料的粘度较大，达到2.9x 104pa．s以上。 7) 优化麦秸纤维添加量和纤维形态、MAPP的添加量可以改善麦秸纤维VPP复合材料的性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

作者简介

第一章绪论

1.1前言

1.1.1植物纤维/热塑性塑料复合材料的定义

1.1.2植物纤维/热塑性塑料复合材料的发展概述

1.1.3植物纤维/热塑性塑料复合材料的工艺技术难点

1.2研究目的及创新点

1.3研究内容及论文结构

参考文献

第二章热磨对麦秸纤维特性的影响

2.1引言

2.2材料和方法

2.2.1原材料和纤维分离

2.2.2纤维尺寸表征

2.2.3 pH值和酸碱缓冲容量测试

2.2.4热性能测试

2.3结果与分析

2.3.1纤维形态分析

2.3.2酸碱性分析

2.3.3热性能分析

2.4小结

参考文献

第三章预处理对麦秸纤维特性的影响

3.1引言

3.2材料和方法

3.2.1试验材料

3.2.2麦秸纤维改性

3.2.3麦秸纤维性能测试

3.3结果与分析

3.3.1重量变化

3.3.2预处理后的麦秸纤维表面形态

3.3.3 ATR-IR光谱分析

3.3.4预处理对麦秸纤维热稳定性的影响

3.4 小结

参考文献

第四章预处理对麦秸纤维/PP复合材料性能的影响

4.1引言

4.2材料和方法

4.2.1试验材料

4.2.2麦秸纤维改性处理

4.2.3麦秸纤维/PP的复合

4.2.4麦秸纤维/PP复合材料性能测试

4.3结果与分析

4.3.1麦秸纤维/PP复合材料的ATR-IR谱图

4.3.2预处理对麦秸纤维/PP复合材料拉伸性能的影响

4.3.3预处理对麦秸纤维/PP复合材料DMA的影响

4.3.4预处理对麦秸纤维/PP复合材料DSC及TG的影响

4.3.5预处理对麦秸纤维/PP复合材料热流变性能的影响

4.3.6麦秸纤维/PP复合材料的表面形貌

4.4 小结

参考文献

第五章麦秸纤维/PP复合材料性能分析

5.1引言

5.2材料和方法

5.2.1试验材料

5.2.2麦秸纤维/PP的复合

5.2.3麦秸纤维/PP复合材料力学性能测试

5.2.4动态力学性能测试(DMA)

5.2.5差示扫描量热仪(DSC)测试

5.2.6热流变性能测试

5.2.7表面形貌扫描

5.3结果与分析

5.3.1麦秸纤维/PP复合材料的拉伸性能

5.3.2麦秸纤维/PP复合材料的弯曲性能

5.3.3麦秸纤维/PP复合材料DMA分析

5.3.4麦秸纤维/PP复合材料DSC分析

5.3.5麦秸纤维/PP复合材料热流变性能分析

5.3.6麦秸纤维/PP复合材料的表面形貌

5.4小结

参考文献

第六章总结论