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《中国林业科学研究院》 2001年
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木塑复合材料界面特性及其影响因子的研究

王正  
【摘要】: 木塑复合材料是以木材或各种木质纤维素纤维材料为基本体,通过与塑料以不同复合途径形成的一种新型材料。由于该种材料综合了木材与塑料的性能特点,因而具有非常广泛的用途。 研究木塑复合材料的界面特性以及木塑复合材料性能的影响因子,是当前木塑复合材料理论及材料性能调控研究的重要方面。本文以我国人工林主要树种杨树、杉木和马尾松木材为主要研究对象,从人工林木材的表面特性研究入手,探索木材与塑料复合界面的形成过程,研究木塑复合材料性能的主要影响因子。目的旨在通过对木塑复合界面、影响因子以及材料性能之间的相关性的研究,为高性能木塑复合材料的研制提供理论依据和技术基础。本研究的内容包括:不同人工林树种木材的表面自由能、表面极性和表面化学官能团等木材表面特征因子的测定、相关性分析及其对木塑复合界面性能的影响,木塑复合界面的形成过程和机理以及各种复合因子对木塑复合材料性能的影响等。 通过对上述研究内容的分析和讨论,获得以下主要结论:(1)木材表面性质对木塑复合界面及复合材料的物理力学性能有明显影响。这些表面性质包括木材表面自由能、表面极性、表面化学官能团、表面粗糙度和小分子抽出物等成分在木材表面的存在等。 木材表面自由能是对木塑复合界面性能有重要影响的因子之一。本研究测定了三个人工林树种木材的表面自由能数值,杉木的总表面自由能(γ_s)和非极性表面自由能(γ_s~d)数值最高,分别为42.4 mJ/m~2和41.6mJ/m~2。杨木的总表面自由能和非极性表面自由能次之,分别为38.9 mJ/m~2和35.5mJ/m~2。马尾松的两项表面自由能数值最低,分别为27.3mJ/m~2和16.3mJ/m~2。 摘 要 这一结果显示了不同树种木材所形成的木塑复合材料的界面性能有着较大 差异,即杉木与塑料形成的木塑复合材料的界面结合强度最高,杨树木材次 之,马尾松最低。 木材的表面极性(Y。’)是对木塑复合界面性能有影响的另一个重要因 子。本研究结果表明:马尾松木材的表面极性最高门.0 mJ砌z),杨树木材 次之(3.41 mJ/mz),杉木木材的表面极性值最低(0.74 mJ/mz)。这一结果 表明不同木材表面对极性的小分子物质(如水分子)有不同的吸附能力,其 中马尾松木材表面对水分的亲和性较强。因此,马尾松一塑料复合材料的界 面耐水性能较差,而杉木一塑料复合材料界面的耐水性能较好。由于木材与 塑料表面分子结构相差较大,木材表面的主要化学官能团为强极性的羟基基 团,而塑料表面则主要为非极性烃基。因此,具有相对较小极性的木材表面 有利于提高木塑复合界面的强度。 木材表面自由能和表面极性变化是木材表面化学官能团变化的热力学 体现。本研究结果表明,经不同的高温处理后,木材的表面自由能随处理温 度的升高而下降。这种下降是木材表面各种活性官能团在高温处理后其状态 和数量变化的结果。其中强极性的木材表面羟基在不同高温处理后,其缔合 状态的改变和羟基数量的减少导致了木材表面自由能和木材表面极性的变 化。 木材的表面粗糙度对木塑复合界面强度的影响主要表现在两个方面:在 木材与塑料能够形成良好润湿以及有利于形成啮合的表面粗糙形态的前题 下,表面粗糙度较大意味着可以在界面形成较深的界面扩散和机械互锁。而 对于塑料不能在木材表面形成良好润湿,木材表面粗糙形态不能形成良好啮 合的倩况下,木材表面粗糙度的增加则意味着界面形成空洞的增加,复合材 料总体强度的下降。 如果木材的抽出物含量过高(如马尾松木材细胞中的松脂),在木塑复 合时,易于因木材小分子抽出物在木材表面的存在,使木塑复合界面形成弱 边界层,进而使木塑复合材料的整体性能下降。 2 摘 要 u)木塑复合界网的形成及强度是一个受到多种因素影响的复杂过程, 木材和塑料的表面特性、木材所含或吸附的化学成份、塑料的理化性能指标、 木塑复合途径以及不同的复合工艺因子等都对本塑复合界面的强度性能产 生影响。本研究瞧表明,一个性能良好的木塑复合界面的形成需具有以下 条件或措施: A.木材的总表面自由能和它的非极性表面自由能需高于塑料的表面自由 能,以保证塑料在木材表面完全润湿和渗透。 B.在木材总表面自由能数值高于塑料表面自由能数值的前提下,适当增加 木材表面粗糙度有利于加强界面相互渗透深度和界面机械互锁。 C.果用不同的技术措施减少或消除木材表面的小分子物质,如各种木材抽 提物或在木材表面吸附的水分及各种小分子污染物等,以减少木塑复合 界面弱边界层的形成。 D.在不使木材热降解的前提下,适当提高木塑复合温度,提高塑料的流动 状态,以加强塑料在木材表面的扩散、渗透。 E 对木材或塑料表面进行改性,以加强
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TB33

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