热处理竹/HDPE复合材料力学及热学性能的研究

摘要

本文以热处理竹/HDPE复合材料为研究对象，探讨竹材经过100℃、150℃、180℃处理2h后的物理力学性能及化学组分变化，分析热处理温度对热处理竹/HDPE复合材料力学性能的影响，引用菲克第二定律计算水分在复合材料中的扩散系数，研究热处理温度对热处理竹材及其复合材料的动态粘弹性、热降解时所需能量以及HDPE结晶行为的影响。其主要结论如下:　　 (1)竹材经热处理后，综纤维素含量76.14％下降到74.6％，木质素含量略升高，其气干密度由0.74g/cm3降至0.73g/cm3和平衡含水率由8.01％降至6.03％。随热处理温度升高，弯曲强度和拉伸强度分别由132.1MPa降至112.7MPa，177.1MPa降至139.6MPa，热处理竹材的弯曲模量由9.47GPa、升至10.84GPa，拉伸模量由7014MPa降至6824MPa，压缩强度由71.49MPa降至67.87MPa。　　 (2)随竹材热处理温度升高，热处理竹/HDPE复合材料的力学性能均变化不明显;除抗冲击强度和拉伸应变随竹粉加载量升高而降低，热处理竹/HDPE复合材料的其它力学性能均随竹粉加载量的升高而明显升高。竹粉的加载量为40wt％时的竹/HDPE复合材料的抗弯强度大约在49MPa，是HDPE的1.4倍左右，其抗弯模量和拉伸模量分别是HDPE的2.2和2.8倍。　　 (3)热处理竹/HDPE复合材料的水分扩散系数(Dm)范围在(0.5～5.6)×10-9cm2/s，Dm随热处理温度升高有所降低，随竹粉加载量升高而显著增大，100℃处理40wt％竹/HDPE复合材料的Dm值最大可达5.53×10-9cm2/s。　　 (4)热处理竹材的储能模量(E')和损耗模量(E”)随着热处理温度的升高而降低，150℃、180℃处理后竹材的E"在DMA测试温度110℃～160℃范围内明显小于100℃处理竹材;竹塑复合材料E'和E"均高于HDPE，且热处理温度对竹塑复合材料影响较明显，随竹材热处理温度升高而E'降低，E"变化不显著;随竹粉加载量的升高，复合材料的E'、E"明显上升。　　 (5)热处理竹材和热处理竹/HDPE混合物主要热降解区间分别为245℃～354℃和307℃～384℃。热处理竹材和热处理竹/HDPE混合物的表观活化能(Ea)随着热处理温度的升高分别由161.7kJ/mol升至176.4kJ/mol，由235.6k J/mol降至225.9kJ/mol。　　 (6) HDPE和热处理竹/HDPE混合物结晶趋势相似，结晶区间为106℃～126℃。随降温速率增加，结晶峰左移，峰形加宽。晶体生长方式都以三维生长方式为主，竹纤维及偶联剂的加入有助于HDPE的异相成核，提高HDPE的结晶完整度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 高温热处理竹材研究进展

1．2．1 竹材热解过程

1．2．2 热处理技术

1．2．3 热处理竹材性能

1．3 竹塑复合材料研究进展

1．3．1 竹纤维的提取与改性

1．3．2 热塑性树脂改性

1．3．3 偶联剂或相容剂

1．3．4 竹塑复合材料的加工工艺研究

1．3．5 竹塑复合材料热学特性的研究进展

1．3．6 竹塑复合材料发展趋势

1．4 主要研究内容、技术路线及创新点

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

1．4．3 创新点

2 热处理竹材的理化性能及热处理竹／HDPE复合材料的力学性能研究

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 试验方法

2．3．1 热处理实验

2．3．2 竹塑复合材料制备

2．3．3 性能测试

2．4 实验结果分析与讨论

2．4．1 热处理温度对竹材化学成分的影响

2．4．2 热处理温度对竹材物理力学性能的影响

2．4．3 热处理温度对竹／HDPE复合材料力学性能的影响

2．4．4 竹粉的加载量对竹／HDPE复合材料力学性能的影响

2．5 本章小结

3 热处理竹／HDPE复合材料的吸水性能研究

3．1 实验材料

3．2 实验仪器

3．3 吸水性测试

3．4 水分扩散系数Dm计算方法

3．5 实验结果分析与讨论

3．5．1 高温热处理温度对Dm的影响

3．5．2 竹粉加载量对Dm的影响

3．5．3 热处理竹塑复合材料中水分移动机理

3．6 本章小结

4 热处理竹材及热处理竹／HDPE复合材料的热机械分析研究

4．1 实验材料

4．2 实验仪器

4．3 DMA测试

4．4 实验结果分析与讨论

4．4．1 线性粘弹性区域的确定

4．4．2 热处理竹材的动态粘弹性

4．4．3 竹塑复合材料的动态粘弹性

4．5 本章小结

5 热处理竹材及热处理竹／HDPE复合材料的热降解动力学研究

5．1 实验材料

5．2 实验仪器

5．3 TGA测试

5．4 热动力学分析方法

5．5 实验结果分析与讨论

5．5．1 热处理竹粉的热解动力学分析

5．5．2 热处理竹／HDPE混合物的热解动力学分析

5．6 本章小结

6 热处理竹／HDPE复合材料的结晶动力学研究

6．1 实验材料

6．2 实验仪器

6．3 DSC测试

6．4 结晶动力学分析方法

6．5 实验结果分析与讨论

6．5．1 热处理竹／HDPE混合物的熔融过程分析

6．5．2 热处理竹／HDPE混合物的结晶动力学分析

6．6 本章小结

7 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

个人简介

致谢