麦秸纤维/聚丙烯复合材料制造工艺与性能研究

论文摘要

本论文以聚丙烯（PP）为基体物质、以麦秸纤维为增强材料,制造麦秸纤维/PP复合材料,探讨了热磨、改性处理、工艺条件对麦秸纤维/PP复合材料性能的影响。在麦秸纤维的制备过程中,采用中密度纤维板热磨系统分离麦秸纤维,蒸汽压力分别为0.4、0.6、0.8、1MPa,磨盘的转速分别为2500和3000rpm,磨盘间隙为0.1和0.05mm,对麦秸纤维的形态和化学性能进行测试,优化热磨条件。对麦秸纤维进行改性处理并试制麦秸纤维/PP复合材料。处理方法分别为:碱处理（处理剂为NaOH水溶液,其浓度分别为2、4、6、8、10%,温度为20°C、45°C）,乙酰化处理（处理剂为乙酸酐,处理时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 h）及2%的马来酸酐接枝聚丙烯（MAPP）改性处理,对处理前后的麦秸纤维及其麦秸纤维/PP复合材料的特性进行分析,优化处理方法和处理工艺。在麦秸纤维/PP复合材料的制造过程中,工艺条件为麦秸纤维的添加量（10、20、30、40、50%）、MAPP的添加量（1、2、5、10%）和麦秸纤维的尺寸形态（<9、9-28、28-35、>35目）,对不同工艺条件下试制的麦秸纤维/PP复合材料进行性能分析。本研究得到的结论归纳如下:1)随着蒸汽压力从0.4MPa提高至1MPa、盘磨转数从2500rpm提高至3000rpm,细小纤维所占的比例由66.8%降至51.1%,麦秸纤维的直径从28.5μm降至23.5μm,长度为0.30-0.42mm,长宽比为11.2-17.7,弯曲指数为0.15-0.17,缠结指数为1.54-2.04。麦秸纤维的pH值降至4.4-4.8,呈酸性,酸缓冲容量由42.38降至12.37-15.24,而碱缓冲容量没有明显变化。麦秸纤维组成成分中硅含量由5.04%降至1.7-2.2%。当麦秸纤维暴露在170°C以上的环境中时开始热解,当温度升高至370°C时,纤维各组成成分发生剧烈热解,尤其以纤维素热解为突出。采用蒸汽压力为0.8MPa,磨片转数为2500rpm时分离得到的麦秸纤维作为麦秸纤维/PP复合材料的增强材料。2)碱化处理能够溶解掉大量的半纤维素,使得麦秸纤维表面产生细小孔洞。当碱处理温度由20°C升高至45°C时,重量损失率（weight percent loss, WPL）由26.7%增加至34.6%,当NaOH溶液的浓度由2%增加至10%时,WPL由34.6%增加至45.0%。乙酰化处理和MAPP接枝处理均通过酯化作用取代了部分羟基。乙酰化处理时,随着处理时间从0.5h增加至4h时,麦秸纤维的酯化增重率从5.3%增加至14.4%。处理前后麦秸纤维在170°C、190°C、210°C和230°C时等温1h后的TG图谱显示,未经预处理的麦秸纤维的WPL为6.1%、8.8%、11.6%和19.7%,碱化处理的麦秸纤维的WPL为5.0%、5.6%、6.7%和9.9%,乙酰化处理的麦秸纤维的WPL为2.6%、4.7%、7.3%和15.4%,MAPP预处理的麦秸纤维的WPL为4.3%、6.0%、9.3%和16.5%。预处理有利于提高麦秸纤维的热稳定性。3)碱处理和MAPP处理的麦秸纤维,均可提高麦秸纤维/PP复合材料的拉伸性能,当麦秸纤维经两者共同改性处理后,拉伸性能改善最明显,其拉伸模量、拉伸强度、拉伸断裂伸长率分别达到1491.7MPa、32.24MPa、4.95%。动态力学性能分析表明,麦秸纤维的加入可以提高麦秸纤维/PP复合材料的储能弹性模量（E’）,降低损耗系数（tanδ）。麦秸纤维分别经碱化处理后,在25-150°C的范围内,其复合材料的E’为2.27-0.37GPa,tanδ为0.038-0.095;经MAPP处理后,其复合材料的E’为2.26-0.34GPa,tanδ为0.038-0.089;经乙酰化处理后,其复合材料的E’为2.25-0.37GPa,tanδ为0.041-0.104。差示扫描量热仪测试表明,麦秸纤维的加入可以提高麦秸纤维/PP复合材料的结晶速率,但结晶率有所下降。当麦秸纤维经碱化处理和MAPP接枝处理共同作用后,麦秸纤维/PP复合材料的结晶温度增加至125.7°C。热流变特性研究表明,碱化处理后其复合材料的粘度最高,为7.2×104Pa.s;MAPP处理有利于纤维在基体中的均匀分散,复合材料的粘度降低至3.1×104Pa.s。4)当麦秸纤维添加量从10%增加至30%,麦秸纤维/PP复合材料的拉伸模量从1215MPa逐渐增加至1986MPa,拉伸强度从29.96MPa逐渐增加至34.31MPa,拉伸断裂伸长率从6.36%逐渐降至3.38%。当麦秸纤维添加量从10%增加至40%时,麦秸纤维/PP复合材料的弯曲模量从1790MPa增加至3437MPa;当添加量达到50%时,麦秸纤维/PP复合材料的弯曲模量和拉伸性能均下降。当麦秸纤维从10%增加至50%,复合材料的E’从2.08GPa增加至4.12GPa,tanδ从0.039降至0.03,结晶温度从120.9°C逐渐增加至126.1°C,但结晶度从46.9%递减至31%。此外,麦秸纤维的加入可以增加体系的粘度,在170°C、0.01s-1时,当麦秸纤维含量从10%增至30%,复合材料的粘度从7.4×103Pa.s增加至4.4×104Pa.s。SEM研究表明:随着麦秸纤维含量的增加,麦秸纤维在整个体系中团聚现象越来越明显,分布越来越不均匀,在纤维含量较高（大于30%）时,麦秸纤维从基体中拔出的现象越来越明显。5)当MAPP添加量从1%增加至10%,麦秸纤维/PP复合材料的拉伸强度从30.85MPa增加至34.01MPa,但拉伸断裂伸长率有所升高,达到4.89%;当MAPP的添加量为2%时,麦秸纤维/PP复合材料的弯曲模量达到最大,为2138MPa。MAPP可以加速麦秸纤维的成核过程,麦秸纤维/PP复合材料的结晶温度提高了约1°C,结晶度增加了4-8%。当MAPP添加至纤维与基体中后,由于本身具有较高的熔融指数,其流动性能很强,整个体系的流动性能加强,复合材料的粘度为2.2×104-3.1×104Pa.s。随着温度和频率的增加,麦秸纤维/PP复合材料的粘度降低。6)当麦秸纤维分别以9-28目、28-35目的形态添加至PP基体中时,增强效果较好,麦秸纤维/PP复合材料的拉伸性能较高,其拉伸模量、拉伸强度、拉伸断裂伸长率分别达到1439MPa、30.51MPa、4.28%和1451MPa、30.36MPa、4.61%。麦秸纤维的形态与麦秸纤维/PP复合材料的弯曲模量的变化不呈相关性。当麦秸纤维以小于9目的形态添加至PP基体中时,麦秸纤维/PP复合材料的弯曲模量达到最大,为2368MPa。麦秸纤维以28-35目的形态作为增加相,PP的结晶温度为122.7°C,同时结晶率也最高,为45.8%。麦秸纤维以大于28目的形态作为增加相,麦秸纤维/PP复合材料的粘度较大,达到2.9×104Pa.s以上。7)优化麦秸纤维添加量和纤维形态、MAPP的添加量可以改善麦秸纤维/PP复合材料的性能。

论文目录

• 中文版
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 植物纤维/热塑性塑料复合材料的定义
• 1.1.2 植物纤维/热塑性塑料复合材料的发展概述
• 1.1.3 植物纤维/热塑性塑料复合材料的工艺技术难点
• 1.2 研究目的及创新点
• 1.3 研究内容及论文结构
• 参考文献
• 第二章热磨对麦秸纤维特性的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 原材料和纤维分离
• 2.2.2 纤维尺寸表征
• 2.2.3 pH 值和酸碱缓冲容量测试
• 2.2.4 热性能测试
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 纤维形态分析
• 2.3.2 酸碱性分析
• 2.3.3 热性能分析
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 预处理对麦秸纤维特性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 麦秸纤维改性
• 3.2.3 麦秸纤维性能测试
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 重量变化
• 3.3.2 预处理后的麦秸纤维表面形态
• 3.3.3 ATR-IR 光谱分析
• 3.3.4 预处理对麦秸纤维热稳定性的影响
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 预处理对麦秸纤维/PP 复合材料性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 麦秸纤维改性处理
• 4.2.3 麦秸纤维/PP 的复合
• 4.2.4 麦秸纤维/PP 复合材料性能测试
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 麦秸纤维/PP 复合材料的ATR-IR 谱图
• 4.3.2 预处理对麦秸纤维/PP 复合材料拉伸性能的影响
• 4.3.3 预处理对麦秸纤维/PP 复合材料DMA 的影响
• 4.3.4 预处理对麦秸纤维/PP 复合材料DSC 及TG 的影响
• 4.3.5 预处理对麦秸纤维/PP 复合材料热流变性能的影响
• 4.3.6 麦秸纤维/PP 复合材料的表面形貌
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 麦秸纤维/PP 复合材料性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 麦秸纤维/PP 的复合
• 5.2.3 麦秸纤维/PP 复合材料力学性能测试
• 5.2.4 动态力学性能测试（DMA）
• 5.2.5 差示扫描量热仪（DSC）测试
• 5.2.6 热流变性能测试
• 5.2.7 表面形貌扫描
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 麦秸纤维/PP 复合材料的拉伸性能
• 5.3.2 麦秸纤维/PP 复合材料的弯曲性能
• 5.3.3 麦秸纤维/PP 复合材料 DMA 分析
• 5.3.4 麦秸纤维/PP 复合材料 DSC 分析
• 5.3.5 麦秸纤维/PP 复合材料热流变性能分析
• 5.3.6 麦秸纤维/PP 复合材料的表面形貌
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 总结论
• 英文版
• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACTS
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 Background
• 1.2 Literature reviews
• 1.2.1 Natural fibres surface modification
• 1.2.2 Affections on mechanical properties of NFPCs
• 1.2.3 Difficulties in processing NFPCs
• 1.3 Objectives
• References
• Chapter 2 Effects of thermomechanical refining conditions on the morphology and thermal properties of wheat straw fibre
• 2.1 Introduction
• 2.2 Materials and methods
• 2.2.1 Raw material and fibre preparation
• 2.2.2 Morphology characterization
• 2.2.3 Determination of pH and buffering capacity
• 2.2.4 Thermogravimetric analysis
• 2.3 Results and discussion
• 2.3.1 Morphology of straw fibre
• 2.3.2 Acidity properties of wheat straw fibre
• 2.3.3 Thermal properties of wheat straw fibre
• 2.4 Conclusions
• References
• Chapter 3 Effects of treatments on the chemical and thermal properties of wheat straw fibre
• 3.1 Introduction
• 3.2 Materials and methods
• 3.2.1 Materials
• 3.2.2 Fibre surface modifications
• 3.2.3 Fibre characterization
• 3.3 Results and discussion
• 3.3.1 Weight change
• 3.3.2 Surface morphology
• 3.3.3 ATR-IR spectra analysis
• 3.3.4 Thermal properties
• 3.4 Conclusions
• References
• Chapter 4 Effects of treatments on the properties of wheat straw fibre/polypropylene composites
• 4.1 Introduction
• 4.2 Materials and methods
• 4.2.1 Materials
• 4.2.2 Wheat straw fibre surface modifications
• 4.2.3 Processing of the wheat straw fibre/PP composites
• 4.2.4 Evaluation of the composite properties
• 4.3 Results and discussion
• 4.3.1 ATR-IR spectra analysis
• 4.3.2 Tensile properties
• 4.3.3 Dynamic mechanical analysis
• 4.3.4 Thermal and crystallization analysis
• 4.3.5 Melt rheology
• 4.3.6 Scanning electron microscopy
• 4.4 Conclusions
• References
• Chapter 5 The mechanical, dynamic mechanical and thermal properties of wheat straw fibre/polypropylene composites
• 5.1 Introduction
• 5.2 Materials and methods
• 5.2.1 Materials
• 5.2.2 Processing of the composites
• 5.2.3 Mechanical testing
• 5.2.4 Dynamic mechanical analysis （DMA）
• 5.2.5 Differential scanning calorimetry （DSC）
• 5.2.6 Melt rheology
• 5.2.7 Scanning electron microscopy （SEM）
• 5.3 Results and discussion
• 5.3.1 Tensile properties
• 5.3.2 Flexural properties
• 5.3.3 Dynamic mechanical analysis
• 5.3.4 Thermal and crystallization analysis
• 5.3.5 Melt rheology
• 5.3.6 Scanning electron microscopy
• 5.4 Conclusions
• References
• Chapter 6 Summary and Conclusions
• 详细摘要