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木质纤维种类及化学成分对HDPE基木塑复合材料性能的影响

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目录

摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 我国木质纤维资源概述

1.2.1 木质纤维的化学组成

1.2.2 化学组成对木质纤维及WPC性能的影响

1.3 木质纤维种类与木塑性能的关系研究进展

1.4.1 本文的研究目的及意义

1.4.2 本文的主要研究内容与技术路线

2 木质纤维化学成分分析及表征

2.1 实验原料

2.2 实验仪器和设备

2.3 木质纤维试样的制备

2.4 实验及表征方法

2.5 结果与讨论

2.5.1 化学成分含量分析

2.5.2 红外吸收光谱(FTIR)分析

2.5.3 X-射线衍射(XRD)分析

2.6 本章小结

3 典型木质纤维/HDPE复合材料的性能与热成型加工性能

3.1 实验原料

3.2 实验仪器和设备

3.3 复合材料的制备

3.4 表征方法

3.5.1 电镜分析

3.5.2 力学性能分析

3.5.3 吸水性能分析

3.5.4 蠕变性能分析

3.5.5 动态力学性能分析

3.5.6 热重分析

3.5.7 维卡软化点分析

3.5.8 热膨胀系数分析

3.5.9 转矩流变分析

3.5.10 旋转流变分析

3.6 本章小结

4 不同种类木质纤维/HDPE复合材料性能对比

4.1 实验原料

4.2 实验仪器和设备

4.3 木塑复合材料的制备

4.4 表征方法

4.5 结果与分析

4.5.1 纤维形态分析

4.5.2 电镜分析

4.5.3 力学性能分析

4.5.4 转矩流变分析

4.5.5 吸水性能分析

4.5.6 热重分析

4.5.7 微卡软化点分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

声明

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摘要

木塑复合材料是一类新型绿色材料,以纤维或粉末形态的木质纤维为填充增强材料,与热塑性聚合物基体复合,采用模压、注射、挤出等成型方式加工而成。如今,木塑复合材料制品已实现工业化生产,并被广泛应用于日常生产生活环境当中。用于制备木塑复合材料的生物质原料来源较为广泛,为探究木质纤维种类及其化学组成成分对木塑复合材料性能的影响,本文从阔叶材、针叶材、农业废弃物、竹材、灌木、果木等6类生物质资源中选取杨木、桉木、桦木、辐射松、落叶松、樟子松、杉木、麦秸、稻秸、稻壳、甘蔗渣、棉杆、毛竹、柠条、苹果木等15种生物质原料,制备木质纤维并对其化学成分进行分离测定,采用熔融挤出的方式与高密度聚乙烯(HDPE)复合制备木塑复合材料,其中,木质纤维质量分数为60%。通过对复合材料的微观形貌、力学性能、尺寸稳定性、加工流变性能、热稳定性进行表征,系统地研究复合材料性能与生物质原料种类和化学组成之间的关系。本文研究主要结果如下:
  (1)FTIR分析结果表明,所选择的15种木质纤维的红外谱图中均出现了表征纤维素、半纤维素、木质素的特征吸收峰。阔叶材、农业废弃物、灌木和果木在1230cm-1和835cm-1附近处出现表征紫丁香基木质素的振动吸收峰;针叶材在1270cm-1处出现表征愈创木基木质素的振动吸收峰。XRD谱图中,15种木质纤维均在2θ=14°,2θ=16°,2θ=23°,2θ=35°附近出现(101),(101),(002)和(040)晶面的衍射峰。
  (2)对6类生物质原料共15种木质纤维化学成分的测定结果表明,阔叶树木材的综纤维素、纤维素、半纤维素含量较高;针叶树木材的木质素含量较高;农业废弃物中麦秸、稻秸、棉杆乙醇抽提物含量较高,稻秸和稻壳灰分含量较高;柠条乙醇抽提物含量较高。
  (3)采用扫描电子显微镜(SEM)对木塑复合材料进行观察,结果显示,麦秸/HDPE、稻秸/HDPE、稻壳/HDPE和柠条/HDPE中“木/塑”两相界面明显,其它复合材料界面结合良好;麦秸纤维、稻秸纤维在HDPE基体中发生团聚,稻壳/HDPE、棉杆/HDPE、柠条/HDPE中可观察到泡孔。
  (4)不同生物质原料种类与木塑复合材料性能关系的对比分析结果表明,力学性能:农业废弃物和灌木增强HDPE复合材料整体力学性能较差,杨木/HDPE力学性能最好。流变性能:桉木/HDPE、桦木/HDPE、辐射松/HDPE表现出较好的流动性。耐水性能:测试第七天时,棉杆/HDPE吸水率最大,为17.9%,其次为麦秸/HDPE、稻秸/HDPE和柠条/HDPE;毛竹/HDPE和稻壳/HDPE吸水率最小,且相差不大,约为3.7%。热稳定性:农业废弃物增强HDPE复合材料第一阶段质量损失整体偏小,约为36~44%;最终残炭率整体偏高,约为11.56~19.84%。维卡软化点:农业废弃物和灌木增强HDPE复合材料整体维卡软化点较低,其中,柠条/HDPE维卡软化点最低,为69.6℃,杨木/HDPE和苹果木/HDPE最高,分别为97.4和97.2℃。
  (5)同类生物质原料中不同木质纤维品种对木塑复合材料性能影响的对比分析结果显示,阔叶树木材中,杨木/HDPE复合材料的力学、热稳定性及耐水性均优于桉木/HDPE复合材料和桦木/HDPE复合材料;针叶材中,樟子松/HDPE复合材料的力学性能、热稳定性最差;农业废弃物中,麦秸/HDPE复合材料力学性能最差,维卡软化点最低,棉杆/HDPE复合材料的耐水性最差。

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