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低发泡木粉/PVC复合材料研究

白晓艳  
【摘要】: 木塑复合材料的研制与生产应用对于寻求实体木材的替代材料和利用木材加工剩余物具有重要意义,也是回收塑料再生利用的有效途径之一。本文采用SJSZ50/105锥型双螺杆挤出生产设备,使用改性AC发泡剂,采用结皮发泡方法,以聚氯乙烯(PVC)为基体树脂,速生杨木木粉(简称木粉)为填料,无铅复合稀土为热稳定剂,制备低发泡木粉/PVC复合材料(WF-PVC)。主要研究内容: (1)对AC发泡剂进行了改性研究,并将改性AC发泡剂应用于木粉/PVC复合材料的制备中; (2)研究了发泡木粉/PVC复合材料界面改性及其对材料性能的影响;探索了加工过程中几种主要助剂及用量与材料的性能、微观结构之间的关系; (3)通过研究发泡调节剂、抗冲击改性剂对低发泡木粉/PVC复合材料熔体流变性能的影响,探索了熔体流变性能与加工性能、材料物理力学性能之间的关系。 (4)研究了低发泡木粉/PVC复合材料加工工艺与材料性能的关系。 (5)研究制备了适合低发泡木粉/PVC复合材料的无铅复合稀土热稳定剂,并研究了其对木粉/PVC复合材料热稳定性能及力学性能的影响; (6)通过对木粉/PVC复合材料燃烧和热解性能的研究,设计了高效阻燃抑烟剂AMPC,研究了其对木粉/PVC复合材料燃烧性能和力学性能的影响。 主要成果: (1)进行了AC发泡剂的改性研究,使发泡剂分解温度在165~180℃范围内可控,分解的诱导时间缩短到10分钟,与木粉/PVC复合材料的加工温度相适应。本研究中使用改性AC发泡剂1.2份,获得的发泡材料性能较好。 (2)在木粉/PVC复合材料界面改性研究方面,采用偶联剂(钛酸四丁酯偶联剂、ND1010钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂)、异氰酸酯和NaOH溶液等对木粉进行处理,同时也采用在配方中加入相容剂MAPP的方法,制备低发泡木粉/PVC复合材料,研究界面改性对低发泡木粉/PVC复合材料性能的影响。 ①采用相同的偶联剂处理木粉,在弹性模量方面,低发泡木粉/PVC复合材料的弹性模量比未发泡的木粉/PVC复合材料降低40%;采用不同偶联剂对木粉进行改性,对低发泡木粉/PVC复合材料的弹性模量影响不明显,低发泡木粉/PVC复合材料的弹性模量,不仅与木粉处理方法有关,还与获得的材料中泡孔结构有关。低发泡木粉/PVC复合材料的冲击强度与未发泡木粉/PVC复合材料相比得到提高,提高的幅度与界面改性处理有关。低发泡木粉/PVC复合材料冲击强度的改善不仅与界面结合有关,还与加工过程的熔体强度、形成的气泡孔形态有关。 ②在低发泡木粉/PVC复合材料中,采用偶联剂对木粉进行改性处理都能降低复合材料的密度,其中,用钛酸四丁酯偶联剂处理粒径为80~100目木粉,使低发泡木粉/PVC复合材料密度最低达到1.02g/cm~3,与用未改性木粉制备的低发泡木粉/PVC复合材料密度1.21g/cm~3相比明显降低,此时材料冲击强度明显提高。 ③不同的木粉改性方法,影响低发泡木粉/PVC复合材料加工过程中熔体粘度。与采用未改性木粉填充的体系相比,除了用钛酸酯偶联剂ND1010改性木粉的体系熔体粘度增加之外,其他改性方法都使体系粘度降低,其中使用MAPP改性的低发泡木粉/PVC复合材料熔体粘度降低最明显。 (3)低发泡木粉/PVC复合材料成型技术有自身的特殊性。低发泡木粉/PVC复合材料的加工对原料、配方、挤出设备、模具等生产工艺都有特殊要求,影响发泡的因素较多。本研究使用实验室自行研制开发的SJSZ50/105锥形双螺杆挤出设备,挤出机机筒为四段控温。采用发泡模具和多段冷却真空定型装置。由于PVC树脂、木粉及发泡剂都是对温度敏感性材料,使低发泡木粉/PVC复合材料加工生产技术的难度增加。各种技术参数的设定与选用的生产设备、使用的原料有直接关系。本研究中挤出机机筒温度设定在150~175℃范围内,挤出压力控制在17MPa以上,选用SG5型PVC树脂,控制木粉的含水率在1%以下,加入适量发泡调节剂ZB-530。有待于进一步解决的问题是设备运行一定时间后出现的炭化现象。 (4)制备了适合低发泡木粉/PVC复合体系的复合稀土热稳定剂 以无毒硬脂酸镧为主稳定剂,采用正交实验设计得到了复合稀土稳定剂的最优基础配方。该稳定剂与季戊四醇、有机锡稳定剂之间有协同作用。自行开发设计的复合稀土稳定剂LS具有无毒及透明性,在低发泡木粉/PVC复合材料配方中使用该稳定剂10份,热稳定效果较好,同时能提高材料的力学性能,尤其在改善低发泡木粉/PVC复合材料冲击性能方面效果显著。 (5)研究了木粉/PVC复合材料的阻燃抑烟性能。采用锥形量热仪分析、热重分析和热裂解-气相色谱-质谱分析(Py-GC-MS)手段揭示了木粉/PVC复合材料中木粉与PVC之间相互作用关系;研究了金属氧化物CuO、La_2O_3对木粉/PVC复合材料燃烧和热解以及阻燃抑烟性能的影响;制备了高效、无毒复合阻燃抑烟剂AMPC,研究了其对材料燃烧性能的影响。 ①木粉/PVC复合材料的燃烧和热解过程是复杂的。在木粉/PVC复合材料燃烧和热解过程中,木粉和PVC之间存在相互作用,其中,PVC促进了木粉的热解,木粉又推迟了PVC的降解过程,同时,木粉促进了PVC热解过程的交联成炭,提高体系成炭量。木粉/PVC复合材料的热降解行为,具有更多的PVC材料降解的特征。与PVC材料燃烧过程相比,木粉/PVC复合材料燃烧过程中平均热释放速率(av-HRR)和总热释放(THR)分别降低44%和9.2%,同时,总烟产量(TSP)和平均比消光面积(av-SEA)分别下降25.8%和29.9%,可见木粉的加入对PVC材料燃烧过程中的热释放和烟释放有抑制作用。 ②将木粉/PVC复合材料在500℃热裂解,对其热解产物进行Py-GC-MS分析。结果表明:木粉的加入使PVC热解产物的组分发生了明显变化。与PVC热裂解组分相比,HCl的释放量降低了59.7%,脂肪族化合物含量从2.49%增加到38.58%,芳香族化合物含量的比例下降96.5%,进一步解释了木粉/PVC复合材料在燃烧过程中烟释放量降低的主要原因。热裂解过程产生的含氯化合物和多环化合物这类有害物质含量明显降低,减少了木粉/PVC复合材料燃烧对人体健康和环境的危害。同时也发现在木粉/PVC复合材料中,由于木粉的存在,推迟了PVC的热解过程,改变了PVC热解途径,使其主要向着生成交联中间体,促进交联成炭的方向进行。 ③金属氧化物CuO和La_2O_3对木粉/PVC复合材料均有阻燃作用,在燃烧和热解过程中均能增加成炭量。CuO使木粉/PVC复合材料燃烧过程中热释放速率(HRR)、总热释放(THR)、烟释放速率(SPR)、总烟产量(TSP)等参数下降显著,表现出明显的阻燃与抑烟效果。 ④合成的新型阻燃抑烟剂AMPC能显著促进复合材料热解挥发性产物的充分燃烧,明显降低木粉/PVC复合材料燃烧时的烟释放量。AMPC的阻燃机理为凝聚相阻燃机理。木粉含量为30%~70%的木粉/PVC复合材料,用5份AMPC对其进行阻燃处理,总烟释放与未阻燃处理材料相比降低幅度在39.1%~57.4%。单位质量的一氧化碳产量降低37.5%。AMPC具有无毒、添加量少、抑烟效果显著的特点。


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