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基于无机纳米填料的聚丙烯基木塑复合材料改性研究

马源彬  
【摘要】:随着社会的不断发展,人们对绿色环保的日益重视,木塑复合材料作为一种绿色环保材料被社会广泛关注。木塑复合材料是利用木粉、亚麻、剑麻、农业林业废料等植物纤维与高分子材料混合加工而成的材料,不仅具有木材的自然外观,而且兼具高分子材料的易加工性,具有广泛的应用前景,可以一定程度上替代木材的使用,达到节约森林资源,降低成本的效果。但是由于大量植物纤维的引入,木塑复合材料也存在一些问题,如熔体流动性差、熔体流动不稳定、耐热性能差、阻燃性能差等。随着纳米技术的不断发展,无机纳米填料的应用也越来越广泛,纳米无机材料通常具有硬度高、耐热性强、阻燃性能强等优点。论文针对木塑复合材料存在的问题,采用无机纳米填料改性聚丙烯基木塑复合材料,系统研究了材料制备、结构与性能之间的关系。本文首先研究了木粉用量对聚丙烯的影响,发现随着木粉用量的增加,聚丙烯基木塑复合材料的力学性能有所提升,但熔体流动速率和初始热分解温度下降。采用气相法二氧化硅、沉淀法二氧化硅改性聚丙烯基木塑复合材料,与沉淀法二氧化硅相比,气相法二氧化硅对聚丙烯基木塑复合材料的力学性能、维卡软化温度提升更为明显。二氧化硅的加入会降低复合材料的加工性能,所以进一步研究了聚乙烯蜡、聚乙二醇、硬脂酸锌三种润滑剂对纳米二氧化硅填充木塑复合材料的影响。熔体流动速率测试的结果发现,聚乙烯蜡的润滑剂效果最好,其次是聚乙二醇、硬脂酸锌。毛细管流变测试结果则表明不同剪切速率下各润滑剂的润滑效果会发生变化,在高剪切速率下,硬脂酸锌的润滑效果最好,其次聚乙烯蜡、聚乙二醇。旋转流变测试结果发现,在较小应变的情况下,硬脂酸锌的润滑效果最优,其次是聚乙烯蜡、聚乙二醇。但在较大应变的情况下,聚乙烯蜡的润滑效果则优于硬脂酸锌。润滑剂的加入会使得纳米二氧化硅填充木塑复合材料的力学性能有所下降,其中聚乙烯蜡体系的下降幅度最少,其次是聚乙二醇、硬脂酸锌。随后,本文采用溶胶凝胶法制备纳米二氧化硅的方法与碱处理工艺相结合,对木粉进行原位改性,制备了木粉/纳米二氧化硅杂化体,并通过热重、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱等手段系统地研究了杂化体的理化性质,研究结果发现,纳米二氧化硅成功在木粉表面原位生成,杂化体的初始分解温度较未改性的木粉提高了11.9℃,提高了木粉的热稳定性。在此基础上,进一步探究杂化体在聚丙烯基木塑复合材料中的应用。研究结果表明,在纳米二氧化硅的加入量相同时,采用原位改性的方法制备的木塑复合材料比直接加入纳米二氧化硅制备的木塑复合材料具有更高的力学性能。当杂化体用量为40wt%时,复合材料的维卡软化温度达到130.4℃,较直接加入纳米二氧化硅制备的样品提高了17.1℃。当杂化体用量为20wt%时,复合材料的初始分解温度为380.9℃,较直接加入纳米二氧化硅制备的样品提高了34℃。随着杂化体用量的增加,复合材料的氧化诱导期呈现先升后降的趋势,当杂化体用量为20wt%时,复合材料的氧化诱导期达到20.64分钟。通过扫描电子显微镜观察发现,直接加入纳米二氧化硅制备的木塑复合材料会出现木粉脱落的现象,而采用纳米二氧化硅原位改性的木塑复合材料则没有出现明显的木粉脱落现象,说明通过在木粉表面上原位制备纳米二氧化硅的改性方法能够有效地提高木粉与基体的结合。最后,本文利用碱处理木粉产生的废碱液,采用反向滴加法在木粉表面原位生成纳米氢氧化镁,制备木粉/纳米氢氧化镁杂化体(MW),该制备方法既有利于提高复合材料的阻燃性能,同时也有利于解决废碱液的回收问题。通过傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、X射线衍射等表征了不同木粉与纳米氢氧化镁配比的木粉/纳米氢氧化镁杂化体的理化性质,实验结果表明氢氧化镁在木粉表面成功原位制备,并进一步系统地研究了木粉/纳米氢氧化镁杂化体在聚丙烯基木塑复合材料中的应用。研究发现,随着氢氧化镁配比的增加,复合材料的水平燃烧速度下降,氧指数提高。当杂化体用量为20wt%,木粉与纳米氢氧化镁的比例达到1:3时,复合材料的水平燃烧速度达到17.89mm/min,氧指数达到18.9。随着杂化体用量的增加,复合材料的阻燃性能得到明显的提高,当木粉与纳米氢氧化镁的比例为1:1的杂化体用量达到50wt%时,复合材料的水平燃烧速度下降到4mm/min,氧指数达到19.8。


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