改性麦秸秆发泡材料的制备及其力学性能研究

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传统的发泡材料如聚乙烯、聚丙烯和橡胶基发泡材料等是由不可再生的石油资源制成的,其生物降解能力差,制备成本高,会造成全球范围的“白色污染”问题,通过焚烧处理后又会产生含有多种有毒物质的气体和固体垃圾,严重污染了人类赖以生存的自然环境。近年来,在自然界中大量存在的生物质类木质纤维素能作为原料制备生物质发泡材料,可以选择性代替石油基发泡材料,然而利用木质纤维素制备的生物质发泡材料虽然具有较高的生物降解率,但其密度普遍比石油基发泡材料高,且力学强度还有待进一步提升。因此,高性能的生物质类木质纤维素发泡材料的制备与应用一直是人们关注的焦点。本论文以含有丰富木质纤维素的小麦秸秆为原料,通过预处理、改性及发泡工艺制备麦秸秆发泡材料并主要对其力学性能进行研究,研究内容如下:(1)首先采用2 wt%氢氧化钠溶液对小麦秸秆进行100℃、2h的预处理(秸秆:溶液=1 g:20 m L),得到了纤维素和半纤维素与木质素含量比值R为2.56的秸秆木质纤维素,并进一步对其进行氯乙酸、丙烯酰氯改性,得到了酯化、酯化-酰化双改性麦秸秆。利用红外、热重和电镜等分析了改性前后的秸秆木质纤维素。结果表明,红外中在1738cm-1、1660cm-1处分别出现酯键和碳碳双键特征峰,XRD中在34.93°和32.06°处产生新的衍射峰,电镜中表明表面有附着共聚物,热重中改性秸秆热稳定性显著提高。(2)利用正交实验,采用模压发泡的方法制备改性麦秸秆发泡材料。以酯化、酯化-酰化双改性秸秆为原料(质量比分别为1:2),丙烯酰胺(AM)为交联剂,水为增塑剂,偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二甲酰胺(ADC)为发泡剂,氧化锌为发泡助剂,分别讨论AM和AIBN用量、发泡温度和时间对麦秸秆发泡材料性能的影响,并在此基础上进一步研究了AM和发泡温度对该发泡材料的最佳工艺。结果表明,当原料用量为3 g,AM用量为5 g,水用量为5 g,发泡助剂用量为ADC的10 wt%,AIBN用量为0.5 g,ADC用量为0.5 g,发泡温度为160℃,发泡压力为3.5 MPa,发泡时间为20min时,秸秆木质纤维素基发泡材料的各项性能较好,该发泡材料孔径较小,泡孔分布较为均匀,三个月后几乎能降解,密度为0.34 g/cm~3,在压缩强度中,载荷为4500.15N,应力为1.19 MPa,弹性模量为26.50 MPa;在弯曲强度中,载荷为69.38 N,应力值为2.96 MPa,弹性模量为60.81 MPa,具有良好的力学性能。(3)采用冷冻干燥发泡的方法,以酯化改性麦秸秆为原料,聚乙烯醇(PVA)为交联剂,碳酸钙(Ca CO3)为增强剂,水为发泡剂,研究它们对麦秸秆发泡材料性能的影响,并对该发泡材料的最佳工艺条件进行研究。结果表明,当PVA用量为3.5 g,水用量为22 g,Ca CO3用量为0.24 g,原料用量为2g时,其密度为0.17 g/cm~3,比表面积为200 m~2/g,平均孔径为13.03μm,孔隙率为86.5%,总孔径面积为1.384 m~2/g,吸水率为642.3%,三个月后几乎能降解,在压缩强度测试中,载荷为1932.68 N,应力为4451.75 KPa,弹性模量值为45.42 MPa,表现出了较高的力学强度,经过压缩循环10次后,应力为38.41KPa,弹性回复率为55.70%。此外,该发泡材料经5 wt%的植酸溶液的真空浸渍改性后,材料的弹性回复率最高,为67.72%,同时具有较高的阻燃性。
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