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《北京林业大学》 2013年
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聚乙烯木塑复合材料性能影响因子与界面特性研究

李东方  
【摘要】:近十年来,木塑复合材料一直是木材科学及高分子材料科学领域的研究热点,在原材料处理、配方与工艺改进、改性剂开发及界面机理研究等方面取得了很多成果。但是木塑复合材料界面机理没有得到更好发展,从原材料到产品生产整个过程对木塑复合材料性能影响的系统研究尚有待深入。 本研究以杨木粉、松木粉、竹粉、稻壳粉以及高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)塑料颗粒为原料,采用挤出成型加工工艺制备聚乙烯木塑复合材料。通过力学、吸水、降解、霉变和紫外老化试验研究原料配方、加工工艺、植物纤维改性等对木塑复合材料外观性能、物理力学性能、吸水性能和耐久性能的影响。通过热分析、红外分析、化学分析、结晶度分析、接触角分析、X射线光电子能谱分析、热机械动态分析和电镜分析研究木塑复合材料界面特性,探讨改性剂改性原理。得出主要结论如下: (1)乙烯-乙酸乙烯共聚物改性对木塑复合材料性能有显著影响: (a)用乙烯-乙酸乙烯共聚物改性的木粉制作木塑复合材料,其加工性能、力学性能、耐候性能提高,吸水性能降低。当乙烯-乙酸乙烯共聚物用量为15%时,改性效果最好。乙酸乙烯酯含量越高、熔融指数越小,木塑复合材料力学性能越高。 (b)X射线光电子能谱分析发现,乙烯-乙酸乙烯共聚物改性后的木粉羟基数目减少,改性后木粉和聚乙烯相容性提高,扫描电镜观察发现,聚乙烯更好地包覆在改性木粉表面,木塑复合材料强度提高。 (2)木塑复合材料性能影响因子: (a)植物纤维形态、含水率、木塑比、加工工艺对木塑复合材料的外观有显著影响。植物纤维应在120℃下干燥并保证含水率在5%以下。木塑复合材料使用HDPE和杨木粉作为主要原料,木塑比为6:4,各区段挤出温度为130℃、150℃、155℃155℃、135℃,螺杆转速为7.5r/min时,木塑复合材料外观质量良好。 (b)塑料硬度和植物纤维含量对木塑复合材料的硬度有显著影响;木塑比和填料用量对木塑复合材料的密度起决定作用。HDPE硬度比LDPE硬度高53.83%,因此稻壳粉、松木粉、杨木粉和竹粉/HDPE木塑复合材料硬度分别比对应植物纤维粉/LDPE木塑复合材料硬度高28.93%、21.45%、14.46%和20.72%。 (c)塑料力学强度、植物纤维长度、原料表面自由能和非极性表面自由能对木塑复合材料力学性能有显著影响。稻壳粉表而自由能、非极性表面自由能最低,松木粉、杨木粉和竹粉的表面自由能、非极性表面自由能差别不明显,三者的表面自由能依次略有降低,松木粉、杨木粉和竹粉/HDPE木塑复合材料的弯曲强度分别比稻壳粉/HDPE木塑复合材料的弯曲强度高25.57%、19.93%和18.38%。 (d)植物纤维活性羟基数量和原材料表而极性对木塑复合材料的吸水性能有显著影响。松木粉表面极性最高,杨木粉表而极性最低,稻壳粉和竹粉表面极性差别不大,松木粉、竹粉和稻壳粉/HDPE木塑复合材制的吸水率分别比杨木粉/HDPE木塑复合材料吸水率高126.36%、88.18%和63.64%。 (3)聚乙烯木塑复合材料界面特性与融合机理: 本研究的聚乙烯木塑复合材料配方中所有组分都会影响到木塑复合材料界而特性。其中影响最大的为木粉、聚乙烯等原材料用量和混合均匀度。当物料分布不均时会造成木塑复合材料外观性能不好,有颗粒状物质存在,表面光泽差,木塑复合材料表面接触角不稳定。同时,当某一物料过多或分布不均时,还会造成这一物料过度堆积,无法与其他物料之间形成足够的捏合结构和机械互锁,无法使物料间有效融合,导致木塑复合材料易造成应力集中,降低木塑复合材料力学强度。乙烯-乙酸乙烯共聚物的添加,有助于木粉等于聚乙烯之间的融合,因此能够提高聚乙烯木塑复合材料性能。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TB332

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