新型聚丙烯基木塑复合材料的制备、性能及应用研究

摘要

聚丙烯(PP)是一种性能优良石油基工程塑料，产量巨大，但存在需消耗石油资源、难以降解、不能直接3D打印等问题。木塑复合材料(WPC)是发展迅速的可降解新材料，广泛应用于家具、包装、建材等行业。近年来熔融沉积成型(FDM)3D打印发展迅猛，但目前3D打印材料较少，成为了3D打印行业发展的瓶颈。开发聚丙烯基WPC、发展高附加值的FDM木塑材料具有较好的理论和应用价值。聚丙烯与木粉(WF)、木质素(L)性质差异大，WPC需对木粉、木质素进行改性，改善其相容性问题；而FDM打印材料需解决PP打印时易翘曲、打印困难的问题。本文探讨了WF/PP、L/PP两类新型PP基木塑复合材料的共混挤出制备方法及性能。　　本文重点研究了不同填料木粉(WF)和木质素(L)、改性方法、相容剂聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)等对WF/PP和L/PP木塑复合材料性能的影响。采用螺杆挤出机进行熔融共混挤出制备复合材料，并采用MFR、热变形温度测定仪(HDT)、TG、FTIR、SEM、万能试验机及接触角等对复合材料进行测试表征，再在FDM3D打印机上进行3D打印性能测试。　　首先，研究了WF/PP基木塑复合材料的体系。探究了常温碱处理木粉方法中NaOH溶液浓度的选择，自制了相容剂PP-g-MAH。重点考察了木粉含量、木粉改性方法及相容剂含量对WPC理化性能和力学性能的影响，并利用涂覆石墨微波法对打印器件进行了性能改善。实验结果表明：常温碱处理木粉方法中，当NaOH溶液浓度为18wt%时处理木粉较优；偶联剂KH550改性经常温碱处理后的木粉(A-K-WF)含量为25wt%(基于PP基材质量)，相容剂PP-g-MAH含量为12wt%时，为较优的注塑配方，WPC的力学性能与纯PP相比，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了35.6%、56.0%和16.6%；由于FDM丝材对复合材料的MFR、拉伸强度等性能的要求，选择A-K-WF含量为15wt%、相容剂PP-g-MAH含量为8wt%作为3D打印的丝材配方，打印出的成品质量较好；最后探讨了3D打印器件石墨涂覆微波强化法的工艺条件，适宜微波处理条件下，3D打印器件的拉伸强度和拉伸模量比未处理之前分别提高了54.1%和59.2%。　　其次，研究了L/PP木塑复合材料的体系。重点考察了木质素含量、木质素改性方法、成核剂含量以及增韧剂SEBS含量等因素对WPC性能产生的影响，确定了适宜的复合材料配方。结果表明：当木质素含量上升，WPC的拉伸模量、弯曲强度以及弯曲模量得到了提高，拉伸强度先增大后减小，冲击强度以及断裂伸长率降低；当L含量为15wt%时，WPC的MFR值为9.16g/10min；当烷基化改性木质素(Al-L)的含量为15wt%时，WPC的弯曲强度、拉伸强度、冲击强度以及断裂伸长率分别为43.70MPa、30.34MPa、26.50kJ/m2和85.8%；当成核剂含量为0.2wt%、增韧剂SEBS含量为15wt%、Al-L含量为15wt%时，WPC的弯曲强度、冲击强度以及断裂伸长率分别为49.93MPa、28.65kJ/m2和152.1%，与L/PP基木塑复合材料相比分别提高了24.7%、24.8%、635.8%，此配方复合材料的挤丝性能及打印性能也得到了较大的改善。

目录

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论文所用英文缩写词

第 1 章 绪 论

1.1 前言

1.2 3D 打印技术概述

1.2.1 3D 打印技术

1.2.2 3D 打印技术应用

1.2.3 3D 打印工艺

1.3 FDM 材料

1.4 PP 的性质及改性研究现状

1.4.1 PP 的性质

1.4.2 PP 的改性现状

1.5 PP 基木塑复合材料研究现状

1.5.1 木塑复合材料概述

1.5.2 木塑复合材的主要成型工艺

1.5.3 PP 基木塑复合材料的研究现状

1.6 选题的意义及内容

第 2 章 实验部分

2.1 实验主要试剂

2.2 实验仪器

2.3 实验内容

2.3.1 原料预处理

2.3.2 FDM 复合线材的制备

2.3.3 标准样条的制备

2.3.4 3D 打印器件的制备

2.4 填料与添加剂的 FT-IR 测试表征

2.5 性能测试及表征

2.5.1 加工性能测试

2.5.2 力学性能测试

2.5.3 热性能及结晶性能测试

2.5.4 接触角与吸水性能测试

第 3 章 新型木粉/PP 基 FDM 木塑复合材料的制备及性能研究

3.1 木粉的处理

3.1.1 木粉的预处理

3.1.2 木粉的改性处理

3.1.3 常温碱处理木粉中氢氧化钠溶液浓度的确定

3.1.4 改性木粉的红外分析

3.2 相容剂的制备

3.2.1 相容剂的制备方法

3.2.2 红外分析

3.3 WF/PP 基复合材料的制备

3.4 木粉含量对 WPC 性能的影响

3.4.1 力学性能分析

3.4.2 MFR 分析

3.4.3 热变形温度（HDT）分析

3.4.4 吸水性能分析

3.4.5 SEM 分析

3.5 木粉处理方法对 WPC 性能的影响

3.5.1 力学性能分析

3.5.2 接触角分析

3.5.3 热变形温度分析

3.6 相容剂 PP-g-MAH 含量对 WPC 性能的影响

3.6.1 力学性能分析

3.6.2 热变形温度分析

3.6.3 吸水性能分析

3.6.4 接触角分析

3.6.5 SEM 分析

3.6.6 TG 分析

3.7 配方成品的性能测试

3.8 配方成品展示

3.9 3D 打印成品的拉伸性能优化

3.9.1微波增强法

3.9.2微波增强法的影响因素

3.10 本章小结

第 4 章 新型木质素/PP 基 FDM 木塑复合材料的制备及性能研究

4.1 复合材料的配方

4.1.1 木质素的改性

4.1.2 木质素的红外分析

4.1.3 成核剂

4.1.4 抗氧化剂

4.1.5 增韧剂

4.2 木质素/PP 复合材料的制备

4.3 木质素含量对 WPC 性能的影响

4.3.1 吸水性能分析

4.3.2 MFR 分析

4.3.3 HDT 分析

4.3.4 力学性能分析

4.3.5 SEM 分析

4.4 木质素处理方法对 WPC 性能的影响

4.4.1 吸水性能分析

4.4.2 MFR 分析

4.4.3 力学性能

4.4.4 TG 分析

4.4.5 SEM 微观形貌分析

4.5 成核剂含量对 WPC 力学性能的影响

4.6 SEBS 含量对 WPC 力学性能的影响

4.7 木塑复合材料的挤丝和打印性能分析

4.8 木塑复合材料的打印丝材以及成品图

4.9 本章小结

结 论

展 望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢