生物质秸秆—高密度聚乙烯定向秸塑板的制备及其热压成材机理研究

论文摘要

我国2012年秸秆总产量预计超过7亿吨，充分利用丰富的秸秆资源，增加生物质秸秆的经济附加值成为关注的热点问题。本研究以棉秆、甜高梁秆生物质秸秆为原料,以热塑性塑料高密度聚乙烯（HDPE）为胶合剂，采用热压工艺制备了生物质秸秆-HDPE定向秸塑板，研究了生物质秸秆的热稳定性以及秸塑板热压过程中的热传导和秸秆热解问题，探讨了热压法制备定向秸塑板的成材机理，取得的主要结论如下：1.使用高效液相色谱仪分析了甜高梁秆的化学成分，结果表明甜高梁秆的纤维素、半纤维素、木质素和水溶性糖的含量分别为24.58%，21.07%，19.08%和10.38%。2.使用TGA分析了棉秆、甜高梁秆及其表皮和髓芯的热稳定性，得到其热解温度分别为236.0℃、185.8℃、199.9℃和179.2℃；在秸塑板热压过程中，甜高梁秆中水溶性糖和木质素受热最先热解，其次是半纤维素，纤维素受热最稳定。3.分别以HDPE粉末和HDPE薄膜为胶合剂，开发了棉秆-HDPE定向秸塑板和甜高梁秆-HDPE定向秸塑板。研究了秸秆长径比、热处理温度和HDPE塑料含量对秸塑板物理力学性能的影响，得到：秸秆长径比越大，棉秆-HDPE秸塑板的力学性能越好；棉秆热处理温度为103℃和140℃时，制备的秸塑板力学性能最优，热处理温度为170℃时，秸塑板的吸水厚度膨胀率最低；添加10%的HDPE的甜高梁秆-HDPE定向秸塑板的力学性能、耐水性能和断面密度均匀性，比未添加HDPE的甜高梁秆定向板有较大改善，但HDPE添加量从10%增加到40%时，板材的力学性能有下降趋势；添加的MAPE、PF和pMDI偶联剂增强了生物质秸秆与HDPE塑料之间的界面结合力，提高了生物质秸秆-HDPE秸塑板的物理力学性能。4.通过热压压力测试、红外光谱分析、微观结构和板材失效形式观察等手段，研究了生物质秸秆-HDPE定向秸塑板的热压成型机理，得到塑料含量越高，热压时获得相同密度的板材需要的压力越小，板坯断面密度变化越大；在HDPE和偶联剂的作用下，在秸秆和HDPE接合界面形成局部机械啮合和化学接合，提高了板材性能；秸塑板的失效发生在生物质秸秆髓芯、生物质秸秆之间以生物质秸秆与HDPE塑料之间。5.利用独立平行反应模型模拟了生物质秸秆在秸塑板热压成型过程中的热解程度，计算了甜高梁秆中的水溶性糖、半纤维素、纤维素和木质素的热解动力学参数，得到其活化能分别为：101，110，202和26kJ/mol，指前因子分别为1.2×1011，5.0×109，3.0×1017和20min1；预测了热压过程中甜高梁秆在板坯的表层、1/4处和中心层的热解量分别为5.4%,2.8%和2.0%。6.建立了甜高梁秆和HDPE比热容随温度变化的数学模型，甜高梁秆和熔化之前的HDPE的比热容随温度的增加而增加；在熔化过程中，使用Gauss方程和Lorentz方程拟合了由HDPE熔化吸热引起的表观比热容。7.建立了包含HDPE含量、板坯密度和温度三个参数的秸塑板导热系数数学模型。在稳态条件下测试了秸塑板的导热系数，甜高梁秆-HDPE秸塑板的导热系数随密度和温度的增加而线性增加，随HDPE含量的增加而非线性增加。8.建立了包含HDPE熔化吸热在内的秸塑板热压过程中的一维热传导模型，通过Matlab求取了热传导模型的数值解，并对模拟结果进行了实测验证，得到板坯热压过程中，随着HDPE含量的增加，当温度达到塑料熔化温度时，由HDPE熔化吸收的热量增多，在热压后期板坯的温度越低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 生物质秸秆资源现状
• 1.1.2 木材资源现状
• 1.2 生物质人造板现状
• 1.2.1 生物质人造板产量
• 1.2.2 棉秆和甜高梁秆人造板
• 1.3 生物质秸秆-塑料复合材料制备技术
• 1.3.1 热压制备技术
• 1.3.2 塑料形态
• 1.3.3 秸秆尺寸
• 1.3.4 偶联剂
• 1.3.5 热处理
• 1.3.6 秸秆热解
• 1.3.7 热压过程中的传热
• 1.4 研究的目的和内容
• 第二章 棉秆、甜高梁秆的物理和化学特性
• 2.1 概述
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 秸秆结构分析方法
• 2.2.3 化学成分测试方法
• 2.2.4 热稳定性测试方法
• 2.2.5 热解动力学参数测试方法
• 2.2.6 热解动力学参数计算方法
• 2.2.7 比热容测试方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 棉秆的结构
• 2.3.2 甜高梁的结构
• 2.3.3 甜高梁化学成分
• 2.3.4 棉秆热稳定性
• 2.3.5 甜高梁秆热稳定性
• 2.3.6 甜高梁秆热解动力学参数
• 2.3.7 甜高梁秆比热容
• 2.4 小结
• 第三章 生物质秸秆-高密度聚乙烯定向秸塑板制备
• 3.1 概述
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料和设备
• 3.2.2 生物质秸秆热处理
• 3.2.3 棉秆-HDPE 秸塑板制备工艺
• 3.2.4 甜高梁秆-HDPE 秸塑板制备工艺
• 3.2.5 物理力学性能测试方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 秸秆尺寸对秸塑板性能的影响
• 3.3.2 热处理温度对秸塑板性能的影响
• 3.3.3 HDPE 含量对物理力学性能的影响
• 3.3.4 秸塑板物理力学性能优势
• 3.4 小结
• 第四章 生物质秸秆-HDPE 定向秸塑板成型机理分析
• 4.1 概述
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 板坯压缩特性分析
• 4.2.3 红外光谱分析
• 4.2.4 断面密度分析
• 4.2.5 微观结构
• 4.2.6 热压过程中甜高梁秆热解模拟
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 板坯的压缩特性
• 4.3.2 板坯胶合成型机理
• 4.3.3 红外光谱分析
• 4.3.4 板材断面密度分析
• 4.3.5 秸塑板失效
• 4.3.6 热压过程中甜高梁秆的热解
• 4.4 小结
• 第五章 生物质秸秆-HDPE 定向秸塑板热压过程中的热传导模拟
• 5.1 概述
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 热传导测试
• 5.2.3 导热系数测试样品制备
• 5.2.4 导热系数测试
• 5.2.5 比热容测试
• 5.3 热传导模型
• 5.3.1 水分含量假设
• 5.3.2 结构假设
• 5.3.3 热传导模型主导方程
• 5.3.4 热传导方程求解
• 5.4 结果与分析
• 5.4.1 导热系数
• 5.4.2 比热容
• 5.4.3 热传导实验测试结果
• 5.4.4 热传导模型模拟结果分析
• 5.4.5 实验测试结果与模型预测结果比较
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新性
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 附录 1 欧拉方程改进法求基本阿列纽纽斯方程数值解的 Matlab 程序
• 附录 2 非线性最小平方法拟合 IPRM 模型参数的 MATLAB 程序
• 附录 3 热压过程中甜高梁秆热解模拟 MATLAB 程序
• 附录 4 一维热传导方程数值解 Matlab 程序
• 致谢
• 作者简介