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木质素在PVC复合材料中的应用研究

岳小鹏  
【摘要】:木质素是自然界中总量仅次于纤维素的第二大天然高分子化合物。以木质素制备高分子复合材料,是这一丰富的可再生资源得以有效利用的途径之一。将木质素与PVC等合成高分子材料共混制备复合材料,可以使二者性能互补,总体上改善材料的使用性能。有关植物纤维基材料的研究,有利于实现木质纤维素生物质原料在高分子材料领域对石油原料的有效替代,对于提高生物质的利用水平,缓解石油资源危机和保护环境具有重要意义。本论文较为系统地研究了PVC/木质素复合材料的性能,以及木质素结构特征与复合材料性能的相关性;探讨了木质素用于制备复合材料的改性方法。并以木质素合成了两种用于该类复合材料的界面改性剂,以PVC/木粉复合材料为对象,对界面改性效果进行研究和比较,对界面改性机理进行探讨。 木质素在PVC中的添加,提高了复合材料的维卡软化温度,降低了其形变能力,在一定程度了提高了复合材料的使用温度范围。整体而言,木质素在PVC中的添加,没有给复合材料的加工性能带来负面影响,在一定程度上还起到了积极作用。但木质素与PVC两相间相容性不佳,这使得复合材料的力学性能受到影响。PVC/木质素复合材料的拉伸强度、断裂伸长率及冲击强度都随着木质素在复合材料中添加量的增大而降低。同时,复合材料的热稳定性略有降低,阻燃性能也受到一定负面影响。不同材种的碱木质素对复合材料力学性能的影响并不明显,但木质素的提取方法对复合材料的性能影响较大。乙酸木质素用于制备PVC基复合材料时,对力学性能的影响较小。 木质素结构上的不均一性,会使复合材料的综合性能降低。碱木质素中低相对分子质量级分对复合材料的塑化有利,在PVC基体中可以获得良好的分散,有利于复合材料力学性能的提高,同时对减少复合材料的热变形也有一定帮助;但以相对分子质量最高的木质素级分制备的复合材料,热稳定性最好。因此,以工业碱木质素制备复合材料,有必要对其相对分子质量进行控制,使其维持在一个合适的范围内。 通过冷冻干燥提高木质素的比表面积,有利于其在PVC基体中的均匀分散。以冷冻干燥木质素制备的复合材料,拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度较真空干燥木质素制备的复合材料都有所提高。通过羟丙基化反应在木质素大分子上引入支链,可以降低其Tg,提高其分子链段运动能力。以羟丙基化木质素制备的复合材料,拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均有所提高。但木质素的结构特征,尤其是相对分子质量,仍然是决定复合材料性能的关键因素。 木质素与甲基丙烯酸甲酯(MMA)的接枝产物,在PVC/木粉复合材料中表现出良好的界面改性作用。木粉经接枝产物处理后,表面变得更加疏水,可以在PVC基体中获得良好的分散。当MMA与木质素单体比为2:1,接枝产物用量2%时,复合材料的拉伸强度和冲击强度比以未处理木粉制备的复合材料,分别提高了18.7%和35.2%。另外,接枝产物对木粉的表面处理,还可以提高复合材料的疏水性。在以接枝产物处理木粉之后,复合材料的流变曲线最大扭矩稍有增高,塑化时间稍有缩短。但整体而言,接枝产物的添加没有给复合材料的加工流变性带来太大影响。 以Mannich反应合成的阳离子型木质素胺,在PVC/木粉复合材料中也表现出良好的界面改性作用。以木质素胺与氨基硅烷偶联剂处理过木粉制备的复合材料,力学性能提高的幅度几乎是相当的。当以木粉质量2%的木质素胺(氮元素含量8.18%)对木粉进行表面处理后,复合材料的拉伸强度和冲击强度相比未处理试样分别提高了21.0%和43.9%。而木质素胺中的氮元素含量,对界面改性效果的影响不明显。此外,木质素胺对木粉的表面处理,还可以降低复合材料的吸水率。木质素的结构特征对复合材料的实际加工存在一定影响,即使在体系中的添加量非常少,依然会引起复合材料流变性能的变化。但作为界面改性剂少量添加,不会对实际生产造成较大的影响。


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