预处理玉米秸秆皮纤维/高密度聚乙烯复合材料性能的研究

【摘要】：本研究以玉米秸秆纤维为增强材料,以高密度聚乙烯为塑料基体,通过挤出成型方式制备玉米秸秆纤维／高密度聚乙烯复合材料。主要探讨了挤出工艺条件、玉米秸秆纤维尺寸对复合材料力学性能的影响；不同化学处理方法对秸秆纤维物理化学性质、热学性质及表面特性的影响；以及不同处理方法对玉米秸秆纤维／高密度聚乙烯复合材料力学性能、化学性能、热稳定性能及界面特性的影响。通过利用玉米秸秆纤维与塑料制备复合材料,以期实现玉米秸秆的高效利用,同时缓解木材资源供应紧张及环境污染日趋严重的现状。通过对玉米秸秆纤维不同添加量及不同尺寸对复合材料力学性能的影响进行研究,结果表明：应用挤出法制备玉米秸秆纤维/高密度聚乙烯复合材料方法可行；随着玉米秸秆纤维添加量的增加,玉米秸秆纤维/高密度聚乙烯复合材料的拉伸强度、拉伸模量先上升后下降,弯曲强度无明显的规律性变化,弯曲模量增大,冲击强度减小,当玉米秸秆纤维的含量为50%时,复合材料的综合力学性能最佳。复合材料的力学性能随玉米秸秆纤维长径比的增大而增大,添加尺寸大于60目小于40玉米秸秆纤维的复合材料综合力学性能最好。分别对玉米秸秆纤维进行碱处理(NaOH溶液浓度分别为3%、6%、9%)及乙酰化处理(处理时间分别为1h、2 h、3 h),结果表明：与未处理玉米秸秆纤维相比,碱处理能够去除玉米秸秆纤维表面的部分灰分及部分木质素,提高纤维表面的粗糙度,结晶度升高,热稳定性也相应提高；乙酰化处理能通过酯化作用,取代玉米秸秆纤维中的部分羟基,减小纤维的极性,纤维的热稳定性提高,但不如碱处理法效果明显,乙酰化处理使纤维变得更脆,表面有裂痕出现。以高密度聚乙烯为基体,以碱处理(NaOH溶液浓度为6%)及乙酰化(处理时间2h)改性处理纤维为增强材料制备玉米秸秆纤维／高密度聚乙烯塑料复合材料,探讨改性处理对复合材料力学性能、化学性能、热特性及界面特性的影响。结果表明：与添加未处理玉米秸秆纤维的复合材料相比,添加碱化处理玉米秸秆纤维有利于提高复合材料的综合力学性能,尤其是对拉伸强度和弯曲强的提高效果最为显著,其复合材料综合力学性能与杨木纤维复合材料的力学性能相当。乙酰化处理因使纤维变脆,表面出现裂纹,使其复合材料的强度略有减小；经乙酰化处理后在1730 cm-1处出现酯键的特征峰,表明玉米秸秆纤维的羟基与乙酸酐发生的酯化反应。热分析研究表明,研究中复合材料的热重曲线均为二阶失重曲线,碱化处理和乙酰化处理玉米秸秆纤维均能提高复合材料的热稳定性,且碱处理效果更明显。电镜结果表明,碱处理明显改善了秸秆纤维与塑料基体之间的界面相容性,改善效果优于乙酰化处理。综上结果表明利用玉米秸秆纤维制备复合材料切实可行,通过改变玉米秸秆纤维和高密度聚乙烯的添加比例,能制备出力学性能良好的玉米秸秆纤维／高密度聚乙烯复合材料；玉米秸秆纤维经过预处理后,其复合材料的性能与木质纤维增强高密度聚乙烯复合材料的性能相当,说明玉米秸秆纤维具有替代木质纤维制备复合材料的潜力,为缓解木材供应紧张提供了有效途径,同时也将缓解因大量玉米秸秆被焚烧而导致的资源浪费和环境污染。 【关键词】：玉米秸秆纤维 化学预处理 复合材料 力学性能 界面特性
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 天然植物纤维/塑料复合材料概述10
• 1.2 天然植物纤维现状10-11
• 1.3 农作物秸秆纤维化学组成、结构特性及力学性能11-12
• 1.4 农作物秸秆纤维/塑料复合材料研究中存在的主要问题12-13
• 1.5 农作物秸秆纤维表面改性的方法13-16
• 1.5.1 化学处理方法13-16
• 1.5.2 物理处理方法16
• 1.6 研究目的及意义16-18
• 1.7 主要研究内容18-19
• 2 玉米秸秆纤维/HDPE复合材料的制备及性能19-27
• 2.1 材料与方法19-21
• 2.1.1 原料及设备19
• 2.1.2 复合材料的制备19-20
• 2.1.3 复合材料力学性能测试20-21
• 2.1.4 复合材料微观形貌21
• 2.2 结果与分析21-26
• 2.2.1 玉米秸秆纤维添加量对复合材料力学性能的影响21-23
• 2.2.2 玉米秸秆纤维不同尺寸对复合材料力学性能的影响23-25
• 2.2.3 玉米秸秆纤维不同尺寸对复合材料形貌的影响25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 3 不同化学预处理对玉米秸秆纤维性能的影响27-37
• 3.1 材料与方法28-29
• 3.1.1 实验材料28
• 3.1.2 玉米秸秆纤维化学处理28
• 3.1.3 玉米秸秆纤维性能测试28-29
• 3.2 结果与分析29-35
• 3.2.1 化学处理前后化学组分分析29-30
• 3.2.2 化学处理前后晶型及结晶度分析30-32
• 3.2.3 化学处理前后热稳定性分析32-34
• 3.2.4 化学处理前后纤维表面分析34-35
• 3.3 本章小结35-37
• 4 预处理对玉米秸秆纤维/HDPE复合材料性能的影响37-47
• 4.1 材料与方法37-38
• 4.1.1 实验材料37
• 4.1.2 玉米秸秆纤维预处理37
• 4.1.3 复合材料的制备37-38
• 4.1.4 复合材料性能测试38
• 4.2 结果与分析38-46
• 4.2.1 预处理对复合材料力学性能的影响38-42
• 4.2.2 复合材料的FTIR谱图42-43
• 4.2.3 预处理对复合材料热稳定性的影响43-45
• 4.2.4 预处理对复合材料形貌的影响45-46
• 4.3 本章小结46-47
• 结论47-49
• 参考文献49-53
• 攻读学位期间发表的学术论文53-54
• 致谢54-55

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