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贝壳粉的改性及其增强复合材料的应用

王玮  
【摘要】:贝壳是一种廉价的天然资源。如何充分利用贝壳资源,已经成为以废弃物再利用为目的实现循环经济发展的重要课题,越来越引起人们的重视。研究发现,贝壳是一种天然的有机无机杂化材料,其95%的主要成分是碳酸钙,还有少量氨基酸和多糖物质。这种特殊的生物矿化使得贝壳具有普通碳酸钙无可比拟的强度和韧性。但是,目前贝壳粉作为优良的钙源主要成为动物饲料添加剂,本课题试图对贝壳粉资源化利用过程中的表面改性以及应用于复合材料制备做相关探讨。 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维单向平行排列并用热塑性树脂PE粘结形成的无纬布是当今世界强度最高、比重最轻的防弹材料之一,PE作为产量最大的一种热塑性树脂,应用广泛,如管材,薄膜等方面,但是HDPE结晶度高,抗冲击性差,而且PE耐热性差、蠕变严重,使其综合机械强度较差。贝壳粉有独特的交叉层状结构,可以使聚乙烯复合材料的抗冲击性能获得提高;同时贝壳微粉主要成分是CaC03,它的加入可以提高聚乙烯材料的耐热性和抗老化性能,改善聚乙烯的综合性能。 但是贝壳微粉是一种微米级的颗粒,表面能较大,容易发生团聚,团聚会使材料在受到冲击时,由于应力集中产生裂纹并快速发展,使材料抗冲击性能下降。因此,在加入贝壳微粉之前必须对贝壳微粉进行表面处理,降低其表面能,使贝壳微粉能在基体中达到均匀分散。Ⅲ 本课题首先采用不同的表面活性剂和偶联剂,以及不同的改性处理方法对贝壳微粉进行表面改性,通过接触角和活化度等表征方法实现改性剂的优选和改性工艺条件的优化,并通过曲线拟合得出各条件影响贝壳粉改性的数学公式。结果表明相同条件下,偶联剂处理贝壳粉的效果好于表面活性剂处理的贝壳粉。以硬脂酸钠干法改性贝壳粉为例,研究了时间、温度、用量等实验条件对贝壳粉改性效果的影响。以钛酸酯NDZ201湿法改性贝壳粉为例,探索反应的最佳条件,实验最佳条件是反应温度80℃、反应时间1h、偶联剂用量2.5%和稀释比例1:3;再设计了4因素3水平正交实验,结果表明:钛酸酯偶联剂处理贝壳粉的最佳工艺条件是反应温度60℃;反应时间1.5h;偶联剂用量为2%;稀释剂用量为1:2。 通过FTIR、DTG、SEM等技术手段对贝壳粉改性前后进行表征,并对不同改性剂化学改性机理做了一些研究。通过熔融共混挤出的方式制备贝壳粉和聚乙烯的复合材料,对比了不同目数、不同含量以及改性前后的贝壳粉添加对复合材料的力学性能影响。在PE基体中加入钛酸酯最优化改性处理的贝壳粉5%后,复合材料的弹性模量0.8GPa(纯PE为0.69GPa),拉伸强度23.96MPa(纯PE为19.50MPa),冲击强度5.6kJ/m2(纯PE为5.1kJ/m2)。弹性模量提高15%、拉伸强度提高20%、冲击强度稍微提高10%。 本研究还将亲水性贝壳粉用疏水水性囊壁材料微胶囊化,初步探索其在改善基体分散性方面的作用。


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