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植物纤维/ABS木塑复合材料的制备、结构与性能研究

马丽  
【摘要】:木塑复合材料(Wood Plastic Composites---WPC)是近年来国际上兴起的一种新型环保材料,它是由木粉、竹粉、稻糠、秸秆等植物纤维与热塑性塑料配以特殊功能改性剂及其他助剂,经塑料成型加工工艺制成的性能优良的复合材料。木塑复合材料综合了植物纤维和高分子材料的诸多优点,能大量替代木材,可有效缓解我国森林资源贫乏、木材供应紧缺的现状,同时它也解决了塑料、木材行业废弃资源的再生利用问题,是一种极具发展前途的低碳、绿色、可循环、可再生的材料。近年来,国内外对于木塑复合材料的研究开发较多,但主要集中在聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯基体的木塑复合材料,而对ABS基木塑复合材料的相关研究则较少。选用ABS树脂作为基体,制备新型性能优良的ABS基木塑复合材料,对于提高木塑复合材料的性能,拓宽木塑复合材料应用领域具有重要的实际意义。 本论文首先研究了竹粉、桉木粉、柏木粉、松木粉和樟木粉五种植物纤维的基本物化性能,并采用薄层毛细渗透技术测定了五种植物纤维的表面接触角和表面自由能及其分量。在此基础上,选择表面自由能较低的竹粉作为研究对象,通过熔融共混法与ABS复合制备木塑复合材料,系统地研究了竹粉/ABS复合材料的结构与性能,探讨了竹粉用于制备木塑复合材料的改性方法。同时,将噁唑啉官能化的ABS(ABSm)作为界面改性剂用于改性ABS基木塑复合材料,并对其界面改性机理进行探讨。研究结果表明: 五种植物纤维均含有大量羟基,亲水性强,但热稳定性较差。由薄层毛细渗透技术测得五种植物纤维中桉木粉的表面自由能及其非极性分量最高,竹粉表面自由能及其非极性分量较低;与ABS复合时,桉木粉有比其他几种植物纤维更好的界面相容性,由其制备的木塑复合材料的力学性能优于其它四种植物纤维/ABS复合材料的力学性能。 含有大量极性羟基的竹粉与ABS树脂两相间相容性不佳,随着竹粉添加量的增大,竹粉/ABS复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度降低,但其弯曲模量提高。同时,随着竹粉在ABS中用量的增加,复合材料的维卡软化温度逐渐提高,在一定程度上提高了复合材料的使用温度范围,但复合材料的热稳定性和加工性能有所降低,吸水率有所增加。在80目~180目的粒径范围内,除冲击强度外,竹粉/ABS复合材料的各项力学性能随着竹粉粒径的增大呈上升的趋势。但当竹粉粒径增至40目时,复合材料的力学性能反而有所降低。 噁唑啉官能化的ABS(ABSm)对竹粉/ABS复合材料体系有良好的增容作用,可明显提高复合材料的力学性能,改善复合材料的界面相容性。腈基转化率在30%左右的ABSm2用量为7phr时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别为52MPa和91.4MPa,相比未改性试样分别提高了17.6%和35.2%,已经达到甚至超过了纯ABS的拉伸强度(50MPa)和弯曲强度(82.5MPa)。三种市售的界面改性剂苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)、聚苯乙烯接枝马来酸酐(PS-g-MAH)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐(EVA-g-MAH)中SMA的界面改性效果较好,但均不如ABSm。 研究了在常温和高温蒸煮条件下,碱液浓度和碱处理时间对竹粉的化学组成、结晶性能、热稳定性及形态结构的影响,得到常温碱处理的优化条件为4%NaOH溶液,处理时间为1h。经常温和高温蒸煮碱处理后可以除去竹粉表面的半纤维素、木质素和抽提物,提高竹粉的热稳定性。在两种条件下,当NaOH溶液浓度大于10%后,都会导致竹粉纤维素的晶型由纤维素Ⅰ向纤维素Ⅱ转变,使得竹粉的结晶度下降,热稳定性降低,纤维束状结构发生分离,纤维卷曲。 本论文将经乙酰化处理、常温碱处理和高温蒸煮处理的三种竹粉用于制备ABS基木塑复合材料,研究结果表明,预处理后的竹粉对ABS基木塑复合材料的力学性能都有不同程度的提高,其中高温蒸煮处理对复合材料力学性能的提高幅度最大,常温碱处理次之,而乙酰化处理对复合材料力学性能的影响不明显。进一步的研究表明,两种碱处理和界面改性剂SMA并用对竹粉/ABS复合材料均存在协同效应,能较大幅度的提高复合材料的力学性能,而两种碱处理和ABSm并用以及乙酰化处理和SMA并用则无协同效应。


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