改性落麻纤维增强热塑性淀粉复合材料的制备及性能研究

摘要

热塑性淀粉塑料是一种来源广泛、成本低廉、易于加工的可降解生物材料，在包装、餐饮、农业地膜等领域，被认为可成为常规塑料的替代产品。热塑性淀粉塑料的广泛应用，将对缓解资源、环境压力及推动人类可持续发展产生重大意义。但在机械性能及耐水性能方面的先天缺陷，大大限制了其生产与应用。
　　本课题首先以三偏磷酸钠交联淀粉/天然玉米原淀粉为混合型淀粉基体原料，甘油、山梨醇、尿素为复合增塑剂，采用单螺杆挤出法，优化质量配比和加工温度，制备混合型热塑性淀粉基体，探究交联淀粉掺入量对材料的机械性能、热稳定性能及耐水性能的影响。再以低温等离子体及硅烷偶联剂对苎麻落麻纤维表面进行改性处理，与淀粉共同制备改性落麻增强热塑性淀粉基复合材料，研究不同处理方法对落麻纤维与淀粉基体界面增强效果，探究落麻纤维表面处理对复合材料机械性能及耐水性能的影响。通过测试，得出以下结论:
　　1、混入交联淀粉后，在复合增塑剂的增塑效果和单螺杆剪切力的作用下，交联淀粉/天然玉米原淀粉混合型淀粉基体材料的拉伸性能提高44.76％，吸湿性能下降38.64％，说明，交联淀粉对淀粉基体具有明显的增强效果。当交联淀粉含量增至15wt％后，基体材料拉伸性能增幅趋于平缓，综合考虑，交联淀粉含量选择15wt％较为合理。
　　2、低温等离子体处理的苎麻落麻纤维上出现新的-OH，果胶等杂质被较彻底地清除，在200W处理功率下纤维表面刻蚀效果适中;经硅烷偶联剂处理纤维表面形成一层偶联剂薄膜，纤维表面出现C-Si、C-O-Si键，偶联剂浓度为5％时缩聚形成的薄膜平滑完整;经联合处理纤维表面兼具二者单独处理效果，形成的偶联剂薄膜致密均匀。单纤维拉伸测试显示三种处理方法均未对纤维强度产生剧烈影响。单纤维拉拔实验表明经过处理的麻纤维与基体间粘结性能均有提高，以联合处理的麻纤维最为明显，界面剪切强度提高至8.25MPa。
　　3、联合处理麻纤维增强热塑性淀粉复合材料具有较高的拉伸性能、弯曲性能，分别为28.95MPa和49.71MPa。此外，7天吸湿率下降7.55个百分点，120天尺寸变化率仅为0.89％，复合材料机械性能、耐湿性能显著提高。
　　通过对表面改性落麻纤维增强热塑性混合淀粉材料的研究发现，交联淀粉与淀粉亲和，共混后可获得良好的基体增强材料;经过低温等离子体/偶联剂联合改性处理的麻纤维与淀粉基体形成良好的界面，机械性能、耐湿性能显著提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 常用塑料及评价

1．3 热塑性淀粉材料的研究进展

1．3．1 淀粉的结构性质与淀粉改性

1．3．2 热塑性淀粉成型原理

1．3．3 热塑性淀粉增塑剂的应用现状

1．3．4 热塑性淀粉的成型方式

1．4 热塑性淀粉材料的基体增强

1．4．1 热塑性淀粉的基体增强研究进展

1．4．2 交联淀粉

1．5 麻纤维增强热塑性淀粉复合材料的研究现状

1．5．1 苎麻落麻纤维

1．5．2 麻纤维表面改性研究及复合材料中应用

1．6 本文研究内容及意义

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究意义

1．7 本章小结

第二章 混合热塑性淀粉基体的制备

2．1 实验原理及设计

2．1．1 增塑剂的选择

2．1．2 加工方式的选择

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料与设备

2．2．2 混合基体样品的制备

2．2．3 混合基体的性能测试与表征

2．3 实验结果与分析

2．3．1 拉伸性能测试结果与分析

2．3．2 基体断面形貌分析(SEM)

2．3．3 X射线衍射(XRD)测试结果与分析

2．3．4 耐水性能测试结果与分析

2．3．5 热重分析

2．4 本章小结

第三章 苎麻落麻纤维表面改性及其与淀粉基体界面性能研究

3．1 实验原理及设计

3．1．1 低温等离子体纤维改性机理

3．1．2 硅烷偶联剂纤维改性机理

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料与设备

3．2．2 落麻纤维等离子体处理

3．2．3 落麻纤维硅烷偶联剂处理

3．2．4 落麻纤维等离子体-硅烷偶联剂联合处理

3．2．5 单纤维拉拔实验试样的制备

3．2．6 性能测试与表征

3．3 实验结果与分析

3．3．1 单纤维拉伸性能结果与分析

3．3．2 X射线衍射分析(XRD)及结晶度计算

3．3．3 红外光谱(FTIR)测试结果与分析

3．3．4 纤维拉拔试验结果及界面剪切强度(IFSS)

3．3．5 扫描电子显微镜形貌与分析(SEM)

3．4 本章小结

第四章 复合材料的制备与性能测试

4．1 实验方案设计

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料与设备

4．2．2 复合材料试样的制备

4．2．3 性能测试与表征

4．3 实验结果与分析

4．3．1 拉伸性能测试结果与分析

4．3．2 弯曲性能测试结果与分析

4．3．3 拉伸断面形貌分析

4．3．4 耐水性能测试结果与分析

4．3．5 尺寸稳定性测试结果与分析

4．3．6 湿度对力学性能影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢