利用FRP废弃物与秸秆纤维制备木塑复合材料的工艺及性能研究

【摘要】：玉米秸秆为山东地区常见的农业废弃物,大部分玉米秸秆被堆弃和焚烧处理,不仅浪费了耕地,而且浪费了大量的天然纤维。论文利用玉米秸秆制备玉米秸秆纤维,采用碱处理工艺对玉米秸秆纤维进行表面处理,然后再采用钛酸酯偶联剂进行复合改性,通过混炼、模压成型制备了玉米秸秆纤维/PVC复合材料。论文还针对玻璃纤维增强塑料(简称FRP)废弃物回收利用难的问题,选择FRP废弃物为回收利用对象,将其研磨并筛分至不同粒度范围,制备FRP废渣/秸秆纤维/PVC复合材料,研究FRP废渣对木塑复合材料(简称WPC)结构和性能的影响。利用金相显微镜、场发射扫描电镜(SEM)、红外光谱分析仪(FTIR)、X射线荧光光谱仪(XRF)、同步热分析仪(TG/DSC)等测试仪器,分析玉米秸秆纤维和FRP废渣的微观形貌、表面基团、物相组成、耐热性能等基本性能。玉米秸秆纤维的SEM分析显示,碱处理后玉米秸秆纤维的表面粗糙度增加,有纤维丝从大束纤维上剥离的现象。碱处理秸秆纤维加入量为50 phr时,WPC的弯曲强度最高,为77.15 MPa,维卡软化温度为95.9℃。秸秆纤维加入量为45 phr时,WPC的拉伸强度最高,为27.06 MPa。用转矩流变仪测试了不同秸秆纤维加入量时WPC转矩流变参数的变化,对比秸秆纤维加入量为30phr和40phr制备的WPC,秸秆纤维加入量提高,WPC物料的塑化时间、最大扭矩提高,表明WPC的加工性能变差。碱处理-钛酸酯偶联剂复合改性玉米秸秆纤维的FTIR分析表明,钛酸酯偶联剂与玉米秸秆纤维表面基团发生了化学反应。对比只加入碱处理秸秆纤维的WPC,当钛酸酯偶联剂的加入量为1.5 phr时,WPC的弯曲强度提高了13.3%、拉伸强度提高了2.8%、冲击强度提高了34%。WPC的冲击断面SEM分析显示,钛酸酯偶联剂改善了秸秆纤维和基体的界面结合。不同粒度的FRP废渣的烧失量实验结果表明,FRP废渣粒度越小其烧失量越大,即废渣中玻璃纤维的含量越少。FRP废渣的热重分析表明,在PVC复合材料加工温度范围内,FRP废渣无明显的热分解。随着FRP废渣加入量增加,WPC的拉伸强度和弯曲强度先增加后减小。当FRP废渣加入量为15 phr时,WPC的弯曲强度和拉伸强度最高,相比未加入FRP废渣的WPC,弯曲强度和拉伸强度分别提高了10.9%和12.1%,同时,WPC的吸水率最低。加入FRP废渣还提高了WPC的维卡软化温度。WPC的冲击断面SEM分析显示,FRP废渣加入量超过15 phr时,玻璃纤维在基体中的分散性变差,且基体对废渣中玻璃纤维的相容性变差。利用热重分析和差式扫描量热分析(TG/DSC)研究了FRP添加量和粒径对WPC热稳定性能的影响,FRP废渣提高了WPC的热稳定性。利用转矩流变仪测试了不同配方的FRP废渣/秸秆纤维/PVC复合材料的转矩流变参数的变化,研究加入FRP废渣对WPC加工性能的影响。 【关键词】：玉米秸秆纤维 PVC复合材料 碱处理 钛酸酯偶联剂 FRP废渣 增强
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 WPC的国内外发展概况13-16
• 1.2.1 WPC在国外的发展13-15
• 1.2.2 WPC在国内的发展15-16
• 1.3 WPC的生产工艺16-17
• 1.4 WPC中植物纤维的概述17-20
• 1.4.1 木纤维19
• 1.4.2 秸秆纤维19-20
• 1.5 木塑复合材料研究中的关键问题20
• 1.6 木质纤维的表面改性20-22
• 1.6.1 物理方法20-21
• 1.6.2 化学方法21-22
• 1.7 FRP废弃物的回收再利用现状22-23
• 1.8 论文的提出及可行性分析23-24
• 1.9 论文研究内容及创新点24-26
• 第二章 实验部分26-34
• 2.1 实验原料26
• 2.2 实验主要设备26-27
• 2.3 实验工艺与流程27-28
• 2.4 实验内容28-30
• 2.4.1 木纤维及秸秆纤维的制备28-29
• 2.4.2 FRP废渣的制备29-30
• 2.5 测试与分析30-34
• 2.5.1 力学性能测试30-31
• 2.5.2 红外光谱分析31-32
• 2.5.3 扫描电镜32
• 2.5.4 金相显微镜32
• 2.5.5 同步热分析测试32
• 2.5.6 维卡软化温度32
• 2.5.7 吸水率测试32-33
• 2.5.8 转矩流变性能测试33-34
• 第三章 秸秆纤维的表面改性与表征34-40
• 3.1 引言34
• 3.2 玉米秸秆纤维的表面改性工艺34-35
• 3.3 结果与讨论35-38
• 3.3.1 碱处理对玉米秸秆纤维的微观结构的影响35-36
• 3.3.2 碱处理对玉米秸秆纤维红外光谱的影响36
• 3.3.3 碱处理对玉米秸秆纤维耐热性的影响36-37
• 3.3.4 钛酸酯偶联剂改性对秸秆纤维红外光谱的影响37-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 改性秸秆纤维/PVC复合材料的性能研究40-52
• 4.1 引言40
• 4.2 结果与讨论40-50
• 4.2.1 秸秆纤维加入量对WPC性能的影响40-45
• 4.2.1.1 秸秆纤维加入量对WPC力学性能的影响40-42
• 4.2.1.2 秸秆纤维加入量对WPC吸水率的影响42
• 4.2.1.3 秸秆纤维加入量对WPC维卡软化温度的影响42-43
• 4.2.1.4 秸秆纤维加入量对WPC流变性能的影响43-44
• 4.2.1.5 秸秆纤维加入量对WPC微观结构的影响44-45
• 4.2.2 钛酸酯偶联剂对WPC性能的影响45-47
• 4.2.2.1 钛酸酯偶联剂用量对WPC力学性能的影响45-46
• 4.2.2.2 钛酸酯偶联剂对WPC微观结构的影响46-47
• 4.2.3 玉米秸秆纤维/木纤维/PVC复合材料的性能47-50
• 4.2.3.1 木纤维添加量对WPC力学性能的影响48
• 4.2.3.2 玉米秸秆纤维、木纤维复配对WPC力学性能的影响48-50
• 4.3 本章小结50-52
• 第五章 FRP废渣/秸秆纤维/PVC复合材料的性能研究52-68
• 5.1 引言52
• 5.2 结果与讨论52-65
• 5.2.1 FRP废渣的基本性质52-56
• 5.2.1.1 FRP废渣的微观形貌52-53
• 5.2.1.2 FRP废渣的组成53-54
• 5.2.1.3 FRP废渣的TG/DSC分析54-55
• 5.2.1.4 FRP废渣的红外光谱分析55-56
• 5.2.2 FRP废渣对WPC性能的影响56-65
• 5.2.2.1 FRP废渣的加入量对WPC力学性能的影响56-57
• 5.2.2.2 FRP废渣的加入量对WPC吸水率的影响57-58
• 5.2.2.3 FRP废渣的加入量对WPC微观结构的影响58-60
• 5.2.2.4 FRP废渣对WPC热性能的影响60-61
• 5.2.2.5 FRP废渣对WPC维卡软化温度的影响61-62
• 5.2.2.6 FRP废渣对WPC加工性能影响62-63
• 5.2.2.7 FRP废渣的粒度对WPC力学性能的影响63-64
• 5.2.2.8 FRP废渣的粒度对WPC吸水率的影响64
• 5.2.2.9 FRP废渣的粒度对WPC热性能的影响64-65
• 5.3 本章小结65-68
• 第六章 结论68-70
• 参考文献70-78
• 致谢78-80
• 附录80-81

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