耐候型竹塑复合材料的制备及性能

摘要

与木材、竹材等实体天然材料相比，木塑复合材料(WPC)的耐候性能相对优异，但在温度和湿度较高的地区，WPC的老化现象也非常严重。WPC耐候性能的优劣对其广泛应用起着重要作用。竹塑复合材料(BPC)以竹材碎料为增强相或填料，是WPC的重要组成部分。本文以BPC为研究对象，系统研究抗氧化剂的组合、配比及含量对BPC抗热氧老化及其他物理力学性能的影响;采用喷雾施加技术将稳定的TiO2溶胶负载到竹粉或者聚丙烯(PP)表面，重点研究施加工艺和纳米TiO2添加量对BPC氙灯加速老化和自然老化性能的影响。作为对比试验，还研究了几种商业抗老化剂对BPC性能的影响;采用直接添加表面改性商业纳米颗粒或者以喷雾施加技术将改性纳米颗粒悬浮液负载到竹粉表面，研究了不同施加工艺及纳米颗粒含量对BPC氙灯加速老化性能的影响;提出一种简单快速分离竹材中纤维与薄壁细胞的物理方法，研究了不同细胞单元对BPC氙灯加速老化和自然老化性能的影响。论文主要结论如下: (1)氧化诱导时间(OIT)可作为WPC抗氧化剂快速筛选的重要指标。添加少量的抗氧化剂可显著提高BPC的OIT，是改善BPC抗热氧老化能力的有效途径。添加抗氧化剂可显著提高BPC在热烘箱老化过程中的抗光变色能力、表面抗侵蚀性能以及弯曲性能保留率，同时降低质量损失率。主要原因是抗氧化剂可有效抑制BPC的表面发生热氧老化。添加抗氧化剂对BPC的吸水性能、动态力学性能以及热性能影响较小。基于成本考虑，本研究提出的抗氧化剂体系的优化组合参数为:主抗氧化剂1076与辅抗氧化剂硫代二丙酸二月桂酯(DLTP)组合，配比为2∶1，总含量占PP的0.2wt％。 (2)虽然原位合成纳米TiO2的施加工艺可以保证纳米TiO2在BPC中具有良好的分散性，但未能改善BPC在氙灯加速老化和自然老化过程中的抗光变色能力，并且加剧了老化过程中BPC的表面侵蚀现象。上述不利影响通常随着纳米TiO2含量的增加而更加明显。主要原因是作为催化剂的无机酸加速了BPC在老化过程中的降解。改性竹粉和低温干燥改性PP工艺均略增加了BPC在老化过程中的力学损耗，但高温干燥改性PP工艺则在一定程度上降低了BPC在老化过程中的力学损耗。 (3)在竹粉表面原位合成纳米TiO2对BPC的初始物理力学性能起着负面作用，而在PP表面原位合成纳米TiO2则对BPC的初始物理力学性能无不利影响或起到显著改善作用。低温干燥改性PP工艺在纳米TiO2含量仅为0.2％和0.5％时，BPC的弯曲强度和模量分别提高近21％和18％，24h吸水率和吸水厚度膨胀率分别下降近40％和45％。因此，采用低温干燥工艺在PP表面原位合成纳米TiO2，并且合理控制纳米TiO2的含量，可显著改善BPC的界面结合性能。 (4)施加少量的商业抗老化剂，可轻微提高BPC的初始弯曲强度和模量，其中主抗氧化剂1076与辅抗氧化DLTP组合和有机光稳定剂GW-327的效果要优于表面未经改性的商业纳米ZnO和TiO2。同时，抗老化剂对BPC的吸水性能影响较小。商业抗老化剂可提高BPC在氙灯加速老化和自然老化过程中的抗光变色性能，其中抗氧化剂和有机光稳定剂组合的效果最好。同时抗老化剂可降低BPC在老化过程的表面侵蚀和力学性能损失，其中商业纳米ZnO的效果最显著，但是商业纳米TiO2的改善作用不明显。 (5)KH-570硅烷和超声分散协同作用改性可显著降低商业纳米TiO2和ZnO的粒径分布，并改善纳米颗粒在BPC中的分散性。改性纳米TiO2和ZnO的加入显著提高了BPC的弯曲强度和模量，降低了BPC的吸水性能。当纳米TiO2和ZnO含量仅为0.1％并采用喷雾施加方式，BPC的弯曲强度和模量分别提高了23.3％和36.8％，以及28.6％和26.5％。同时，24h吸水率和吸水厚度膨胀率分别下降了59.7％和66.7％，以及85.2％和52.8％。此外，表面改性商业纳米TiO2和ZnO还可提高BPC的抗光变色能力，并且在老化初期改性效果更显著。然而，改性纳米颗粒未能显著改善BPC表面的抗侵蚀性能。虽然老化后，含改性纳米颗粒复合材料的弯曲强度和模量下降率高于对照样，但是其绝对平均值依然高于后者。 (6)不同细胞单元对BPC的增强作用存在显著差异，其增强作用大小为:竹纤维＞杨木纤维＞（竹纤维+薄壁细胞）＞薄壁细胞。与竹薄壁细胞/PP复合材料相比，竹纤维/PP复合材料的弯曲强度和模量分别提高了26.5％和50.3％，24h吸水率和吸水厚度膨胀率分别降低了32.8％和24.1％。不同细胞单元填充PP复合材料经氙灯加速老化和自然老化后，表面颜色均发生显著褪色，并且出现一定数量的裂纹，弯曲性能和储存模量降低。竹纤维/PP复合材料在老化过程中弯曲性能的损失远低于竹薄壁细胞/PP复合材料。但是后者在老化过程中的抗光变色性能优于前者。因此，合理调控BPC中竹纤维与薄壁细胞的比例可改善BPC的耐候性能。 综上所述，通过施加优选抗氧化剂组合不仅可显著改善BPC的抗热氧老化性能，同时还提高了BPC光氧老化过程中的抗光变色和表面抗侵蚀性能;此外，施加表面改性商业纳米TiO2和ZnO颗粒可以显著提高BPC的力学性能，降低吸水性;添加有机光稳定剂和合理调控BPC中竹纤维与薄壁细胞的比例，也可一定程度上改善BPC的抗光氧老化性能。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．2．1种类及化学组成

1．2．2降解

1．3 WPC的老化

1．3．1热氧老化

1．3．2光氧老化

1．3．3生物真菌侵蚀

1．3．4潮湿与冻融

1．4解决措施

1．4．1纤维预处理

1．4．2塑料基体改性

1．4．3添加助剂

1．5研究目的与意义

1．6主要研究内容

1．7技术路线

1．8创新点

1．9项目支持和经费来源

第二章抗氧化剂对BPC性能的影响

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1试验材料

2．2．2 BPC的制备

2．2．3性能测试

2．2．4数据分析

2．3结果与讨论

2．3．1氧化诱导时间

2．3．2热氧老化

2．3．3表面性能

2．3．4物理力学性能以及热性能

2．4本章小结

第三章竹粉表面原位合成纳米TiO2对BPC性能的影响

3．1引言

3．2材料与方法

3．2．1试验材料

3．2．3竹粉表面原位合成纳米TiO2

3．2．4 BPC的制备

3．2．6氙灯加速老化

3．2．7自然老化

3．2．8数据分析

3．3结果与讨论

3．3．1原位合成纳米TiO2对竹粉性能的影响

3．3．2纳米TiO2的分散性

3．3．3氙灯加速老化

3．3．4自然老化

3．4本章小结

第四章PP表面原位合成纳米TiO2对BPC性能的影响

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1试验材料

4．2．2 TiO2溶胶的制备

4．2．4 BPC的制备

4．2．5纳米TiO2分散性表征

4．2．6氙灯加速老化

4．2．7自然老化

4．2．8数据分析

4．3结果与讨论

4．3．1原位合成纳米TiO2对PP性能的影响

4．3．2纳米TiO2的分散性

4．3．3氙灯加速老化

4．3．4自然老化

4．4本章小结

第五章纳米TiO2与ZnO表面改性对BPC性能的影响

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1试验材料

5．2．2纳米TiO2与ZnO表面改性

5．2．3 BPC的制备

5．2．4分散性表征

5．2．5氙灯加速老化

5．2．6吸水性能表征

5．2．7动态力学性能表征

5．3结果与讨论

5．3．1纳米TiO2与ZnO的表面改性效果

5．3．2纳米TiO2与ZnO的分散性

5．3．3氙灯加速老化

5．3．4吸水性能

5．3．5动态力学性能

5．4本章小结

第六章竹纤维与薄壁细胞对BPC性能的影响

6．1引言

6．2材料与方法

6．2．1试验材料

6．2．2竹纤维与薄壁细胞的分离

6．2．3BPC的制备

6．2．4氙灯加速老化

6．2．5自然老化

6．2．6数据分析

6．3结果与讨论

6．3．1不同细胞组成单元的影响

6．3．2氙灯加速老化

6．3．3自然老化

6．4本章小结

第七章结论与展望

7．1结论

7．1．1抗氧化剂对BPC性能的影响

7．1．3纳米TiO2与ZnO表面改性对BPC性能的影响

7．1．4竹材不同细胞单元对BPC性能的影响

7．2展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢