麦秸秆/PVC复合材料制备及其性能研究

【摘要】：木塑复合材料(wood-plastics composites,简称WPC)是用植物纤维或木纤维填充、增强的改性热塑性材料,同时具有木材和塑料的成本和性能的优点,通过挤出或压制成型为型材、板材或其他制品,且具有价格低、可重复使用、可生物降解、木纤维资源丰富等特点,它可以替代木材和塑料在某些方面的应用。但是由于极性、易吸水的秸秆粉和非极性、疏水的PVC基体相容性比较差,PVC/秸秆粉复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度比较差,而且填充秸秆粉之后,材料的+密度也增大了,从而限制了PVC/秸秆粉复合材料的应用。本文采用了多种物理方法和化学方法对秸秆粉进行改性,提高了复合材料的力学性能。本论文以聚氯乙烯(PVC)作为基体,以秸秆粉作为填料,填料经硅烷偶联剂KH550、ACR改性剂和CPE改性剂处理后用热压成型的方法制备了不同含量要求的PVC基木塑复合材料。首先研究了秸秆粉的填充量对复合材料的力学性能的影响,发现随着秸秆粉在PVC基体中的填充量增加,由于秸秆粉密度低,填料所占据的体积比例增大,同时秸秆粉纤维分散性变差,颗粒堆砌严重,不仅提供了更多的应力集中点,而且更严重地影响了作为主要受力部分的PVC基体的连续性,从而使复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度急剧下降,当秸秆粉填充量为35%时,拉伸、冲击和弯曲强度分别为14.36MPa.8.82KJ/m2和31.26MPa,相对于秸秆粉填充量只有15%时降低了33.58%、14.59%和41.74%。当秸秆粉填充量为45%时,材料的硬度降低了32.22%,而复合材料的吸水率和导热系数分别提升了9倍和5.72%。考虑到木塑材料的经济性,综合性能较好的为秸秆粉填充量为35%时。采用含有氨基的硅烷偶联剂KH550对秸秆粉进行处理能够有效地提高复合材料的拉伸强、度弯曲强度和硬度,当KH550含量为5%时,复合材料的拉伸和弯曲强度比KH550为1%时分别提高了78.54%和175%,硬度为101.33HR,提高了35.7%。而复合材料的冲击强度、吸水率和导热系数有所下降,当KH550含量为5%时,比KH550含量只有1%时,冲击强度下降了18.39%,吸水率和导热系数分别下降了48.87%和3.34%。经过硅烷偶联剂处理的秸秆粉与PVC复合之后,材料断面的两相界面变得比较模糊,高的放大倍数下可以发现,秸秆粉周围有PVC黏附现象,表明秸秆粉经过硅烷偶联剂处理后,与PVC基体的相容性变好,两相结合力明显增强,因此复合材料力学性能得到了增强。改性剂ACR处理秸秆粉后,木塑复合材料的性能得到改善,随着改性剂ACR用量的增加,复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度呈先上升后下降的趋势,且当改性剂ACR用量为6%左右时达到最大值。复合材料的硬度依然是呈先上升后下降的趋势,且当改性剂ACR用量为6%左右时达到最大值。复合材料的吸水率是呈先下降后上升的趋势,且当改性剂ACR用量为4份左右时达到最小值。复合材料的导热系数也是呈先上升后下降的趋势,且当ACR含量为6%时达到最小值。当ACR含量为6%时,复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度比未改性时分别提升了61.65%、84.81%和2.6倍。复合材料的硬度提升了25.42%,而吸水率和导热系数分别下降了10.40%和18.16%。当改性剂ACR为4份时的断面粗糙度最小,相界面比较模糊,此时的复合材料的相容性较好。改性剂CPE的加入对复合材料的拉伸强度、弯曲强度及硬度有有一定的影响,当CPE含量较少为2%时,复合材料的拉伸强度比未改性时提升了103.17%,弯曲强度提升了94.28%,硬度提升了26.11%,但其削弱了复合材料的吸水性能和导热性能,吸水率比未改性时下降了20.63%,导热系数下降了21.64%。随着CPE含量的增加,其对复合材料冲击强度的提升尤为明显,当CPE含量为6%时,复合材料的冲击强度比未改性时提升了1.5倍,其它性能表现为波动趋势。当CPE含量不超过6%时,随着CPE含量的增加复合材料界面的空洞从分散分布逐步过渡到均匀分布,并且空洞有所减少,秸秆粉没有明显的团聚,分散较为均匀。复合材料的界面相容性得到很大的改善。综上所述,当CPE含量为2%时,复合材料的拉伸、弯曲强度和硬度三方面性能较好,CPE含量为6%时复合材料具有较好的冲击强度。 【关键词】：木塑复合材料 秸秆粉 PVC 硅烷偶联剂 力学性能 导热系数 改性剂ACR 改性剂CPE
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 木塑复合材料概述13-17
• 1.2.1 木塑复合材料的国内外研究现状13-14
• 1.2.2 木塑复合材料改性研究进展14-16
• 1.2.3 木塑复合材料性能及应用16-17
• 1.3 PVC基木塑复合材料的研究17-22
• 1.3.1 PVC简介17
• 1.3.2 PVC基木塑复合材料的原辅材料的选择17-19
• 1.3.3 PVC基木塑复合材料的加工工艺19-20
• 1.3.4 PVC木塑复合材料界面改性的理论及方法20-22
• 1.4 本文的研究内容和创新点22-24
• 1.4.1 本文的研究内容22-23
• 1.4.2 本文的创新点23-24
• 第二章 麦秸秆/PVC复合材料的制备及性能测试24-31
• 2.1 实验原料与仪器设备24-26
• 2.1.1 实验原料24
• 2.1.2 实验仪器设备24-26
• 2.2 实验工艺流程与方案26-27
• 2.2.1 工艺流程26
• 2.2.2 实验方案26-27
• 2.3 试样的制备27-28
• 2.4 复合材料性能测试28-31
• 2.4.1 吸水性能测试28
• 2.4.2 力学性能测试28-29
• 2.4.3 硬度测试29-30
• 2.4.4 导热性能测试30
• 2.4.5 SMZ1000型体视显微镜观察30-31
• 第三章 秸秆粉填充量对PVC基复合材料性能的影响31-38
• 3.1 秸秆粉填充量对复合材料力学性能的影响32-33
• 3.2 秸秆粉填充量对复合材料硬度的影响33-34
• 3.3 秸秆粉含量对复合材料吸水性能的影响34-35
• 3.4 秸秆粉含量对复合材料导热性能的影响35-36
• 3.5 不同秸秆粉含量的PVC基复合材料微观结构36-38
• 第四章 KH550对PVC基复合材料性能的影响38-45
• 4.1 KH550含量对PVC复合材料力学性能的影响39-41
• 4.2 KH550含量对PVC复合材料硬度的影响41
• 4.3 KH550含量对PVC复合材料吸水性能的影响41-42
• 4.4 KH550含量对PVC复合材料导热性能的影响42-43
• 4.5 不同KH550含量的PVC复合材料的微观结构43-45
• 第五章 改性剂ACR对PVC基复合材料性能的影响45-53
• 5.1 改性剂ACR对复合材料力学性能的影响46-47
• 5.2 改性剂ACR对复合材料硬度的影响47-48
• 5.3 改性剂ACR对复合材料吸水性能的影响48-50
• 5.4 改性剂ACR对复合材料导热性能的影响50
• 5.5 不同ACR含量的PVC复合材料的微观结构50-53
• 第六章 改性剂CPE对PVC基复合材料性能的影响53-60
• 6.1 CPE对PVC基复合材料力学性能的影响54-55
• 6.2 CPE对PVC基复合材料硬度的影响55-56
• 6.3 CPE对PVC复合材料吸水性能的影响56-57
• 6.4 CPE对PVC基复合材料导热性能的影响57-58
• 6.5 不同CPE含量的PVC基复合材料微观结构58-60
• 第七章 三种改性剂处理PVC木塑复合材料性能对比60-66
• 7.1 力学性能对比60-62
• 7.1.1 拉伸强度对比60-61
• 7.1.2 弯曲强度对比61
• 7.1.3 冲击强度对比61-62
• 7.2 洛氏硬度对比62-63
• 7.3 导热系数对比63
• 7.4 吸水性对比63-64
• 7.5 本章小结64-66
• 第八章 结论与展望66-68
• 8.1 结论66-67
• 8.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72

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