棉秆纤维束及其复合材料性能研究

摘要

本论文选用棉秆为研究对象，与塑料复合，通过热压制备棉秆/塑料复合板材，解决棉秆复合板材吸水厚度膨胀率高的问题；研究纤维束性质，工艺因子对复合板材性能的影响，以期为利用棉秆开发复合板材的产业化应用提供依据
　　论文借助光学显微镜对棉秆的显微构造进行了详细的观察和分析，并对棉秆韧皮部和木质部的化学成分进行了测定。采用纤维长度分析仪、纤维拉伸仪、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪对单根棉秆韧皮纤维进行纤维形态、力学强度、横截面积和结晶度的研究。并对利用搓丝法制成的棉秆韧皮部，木质部纤维束的形态、尺寸、力学性能进行研究。采用不同种类废弃塑料与棉秆纤维束复合，制备棉秆/塑料复合板材，研究了棉秆纤维束特性和塑料种类对复合板材物理力学性能的影响。
　　本文的主要研究结果为：
　　⑴棉秆木质部的纤维形态和结构接近于阔叶材，纤维形态较好，木质部平均纤维长度为742.70μm，韧皮部纤维长度约为木质部纤维的两倍，纤维长宽比为37.66。木质部纤维比量为77.28％。棉秆木质部不同部位导管和纤维的比量差异显著，棉秆基部的导管比量最多，纤维比量最少，射线比量在棉秆各部位的变化不大。棉秆木质部和韧皮部的化学成分有明显不同，与棉秆木质部相比，棉秆韧皮部的各种抽提物含量、综纤维素含量和灰分含量较大，聚戊糖的含量较低。
　　⑵棉秆韧皮部纤维的平均长度为1484.43±753.78μm，宽度为18.90±6.61μm，长宽比为65.75。棉秆韧皮部纤维实心或中空非常小，呈菱形或圆形。韧皮部纤维拉伸应力—应变曲线线性度好，未见明显的屈服阶段。棉秆韧皮部纤维拉伸过程中弹性的变形范围在0—7％之间，单根棉秆韧皮纤维的拉伸应力平均值为0.89GPa，弹性模量平均值为13.66GPa，断裂伸长率平均值为6.32％。单根棉秆韧皮纤维的弹性模量小，断裂伸长率比较大，其柔韧性很好。棉秆韧皮部和木质部的结晶度相近，却低于杉木，马尾松，泡桐等其它植物。棉秆较低的结晶度表示棉秆纤维中有更多的非晶区域，因此棉秆纤维更容易吸收水分或其它的化学物质。
　　⑶棉秆纤维束的横截面是不规则的圆形，呈现出多边形或者不规则的形状；韧皮部纤维束长度均值为25.12mm，约为木质部纤维束的两倍(13.57mm)。韧皮部纤维束宽度均值为201.90μm，略小于木质部纤维束的宽度(253.36μm)。韧皮部纤维束的长宽比约为木质部纤维束的两倍。棉秆韧皮部纤维束横截面积均值为42119.69μm2，略小于木质部纤维束(69249.16μm2)。棉秆韧皮部和木质部的纤维束抗拉强度分别为60.73MPa和42.58MPa，弹性模量分别为2.17GPa和1.33GPa。韧皮部纤维束的断裂伸长率比较大，柔韧性较好。棉秆纤维束的力学性能低于其它植物纤维，韧皮部纤维束的力学性能低于单根韧皮纤维细胞。纤维束的拉伸应力，弹性模量和断裂伸长率随横截面积的增大有减小的趋势。木质部纤维束在聚乙烯基体中的界面剪切强度为5.05MPa，韧皮部纤维束在聚乙烯基体中的界面剪切强度为3.96MPa。
　　⑷针对棉秆材料的上述特性，采用疏水性强的塑料为粘合剂，制备棉秆纤维/塑料复合板材。研究结果表明：棉秆木质部纤维束复合板材的静曲强度，弹性模量，24h吸水厚度膨胀率，内结合强度都高于韧皮部纤维束复合板材。回收聚丙烯制备出的复合板材静曲强度和弹性模量最大，回收聚乙烯次之，废弃塑料最低。废弃塑料制备复合板材的24h吸水厚度膨胀率明显大于回收聚乙烯与回收聚丙烯制备出的复合板材，回收聚乙烯塑料制备复合板材的内结合强度高于废弃塑料和回收聚丙烯塑料。用杨木单板覆面后，复合板材静曲强度和弹性模量有了很大的提高。棉秆/回收聚乙烯复合板材素板各项指标达到在干燥状态下使用的结构用板的要求。棉秆/回收聚乙烯复合板材表面覆单板后，各项指标都达到在潮湿状态下使用的增强结构用板的要求。

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表目录

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外的研究现状

1.3 研究目标和主要的研究内容

第二章 棉秆的解剖特性及化学成分研究

2.1 引言

2.2 试验材料和方法

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 单根棉秆韧皮纤维性能与纤维素结晶度的研究

3.1 引言

3.2 试验材料和试验方法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 棉秆纤维束形态及力学性能的研究

4.1 引言

4.2 试验材料和试验方法

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第五章 棉秆纤维束与聚乙烯界面剪切强度的研究

5.1 引言

5.2 试验材料和试验方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第六章 纤维束特性对复合板材性能的影响研究

6.1 引言

6.2 试验材料和试验方法

6.3 结果与讨论

6.4 小结

第七章 棉秆/塑料复合板材应用研究

7.1 引言

7.2 试验材料和试验方法

7.3 结果与讨论

7.4 小结

第八章 结论与建议

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 建议与展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢