丝瓜络复合填充材料的制备及性能研究

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随着人们环保意识的增强及资源的日益枯竭,以可再生、可降解生物质资源为原料制备的绿色复合材料受到了科学界和工业界的广泛关注。丝瓜络纤维作为一种资源丰富、结构优良的天然植物纤维材料,在填充材料领域具有很大的应用潜力。本文以废弃的丝瓜络边角料为基体,绿色环保的EVA树脂和低熔点聚酯纤维为胶黏剂,采用工艺简洁的低温热压法制备出了一种绿色环保,质地均匀且性能良好的丝瓜络复合填充材料,并对其压缩力学性能、声学性能、抗菌性能和缓压效果测试,为丝瓜络复合填充材料在家居领域的应用提供科学的理论依据。实验对丝瓜络复合填充材料进行准静态压缩、反复加载力学性能和支撑性能进行测试,并将其与海绵、乳胶以及其他植物纤维复合材料进行性能指标的对比研究;利用声学阻抗管对丝瓜络复合填充材料进行吸声系数指标的性能测试,并探究胶黏剂基体、材料厚度、材料密度和后空气层厚度对丝瓜络复合填充材料的吸声系数的影响;通过对GC-MS和SSNMR对丝瓜络石油醚提取物进行化学成分对比,并研究不同化学预处理的丝瓜络纤维粉末对大肠杆菌菌种的抑制程度测定其抗菌性;利用压力分布测试系统研究有无丝瓜络复合填充材料对人体坐姿压力分布的影响,从而验证丝瓜络复合填充材料在实际应用中的缓压效果,为丝瓜络复合填充材料在常用座椅中的实际应用设计提供科学的理论依据。本文主要的研究结论如下:(1)通过低温热压制备方法(温度:105℃;压力:1Mpa;时间:6min),按丝瓜络/EVA质量比为1:1可以制备出绿色环保、支撑性能和吸湿散湿性能良好的丝瓜络/EVA复合填充材料。丝瓜络/EVA复合填充材料的抗压强度、峰值应力、单位体积能量吸收均随着密度的增加而逐渐增大。丝瓜络/EVA复合填充材料的表层硬度较小,由表层至底层硬度逐渐增大,但实验密度范围内的丝瓜络/EVA复合填充材料的各层硬度均小于黄麻填充材料,3D黄麻填充材料和椰棕填充材料。当丝瓜络/EVA复合填充材料在收到外力时,具有良好的抗形变能力,是一种质地柔软,且支撑性能良好的填充材料。(2)密度为0.11g/cm~3,0.12g/cm~3的丝瓜络/EVA复合填充材料的吸湿性要优于椰棕填充材料,而所有实验范围密度内的丝瓜络/EVA复合填充材料的散湿性均好于黄麻填充材料,3D黄麻和椰棕填充材料,这表明丝瓜络/EVA复合填充材料不仅能够及时吸收人类在进行坐姿、睡眠过程中人体所散发的湿气,从而使人-垫界面保持在一个干爽的状态,提高舒适性,更重要得是丝瓜络/EVA复合填充材料还能够将吸收的湿气及时散发到周围环境中去,避免了材料表面产生黏湿感,否则容易滋生细菌,产生霉变等问题,从而影响产品性能和产品的使用年限。(3)通过吸声系数的对比,丝瓜络/低熔点聚酯纤维复合填充材料的吸声系数要好于丝瓜络/EVA树脂复合填充材料的吸声系数。当制备的丝瓜络/低熔点聚酯纤维复合填充材料为密度为0.09g/cm~3,厚度为4cm,后空气层厚度为2cm的情况下时,填充材料的平均吸声系数达到了0.645,是属于高效吸声材料。经过热压后的丝瓜络复合填充材料的内部空间形成了具有大量与外界环境相连通的微小的空隙的三维网状立体结构,低熔点聚酯纤维表面变得粗糙,并出现了大量褶皱、裂纹以及孔隙结构,再加上丝瓜络纤维表面本身具有的孔隙结构,这种多孔型的复合填充材料对声能的吸收十分有利。(4)未处理的丝瓜络纤维粉末和经过Na OH+CH4N2O、Na OH+H2O2、Na OH+CH3COOH的化学预处理的丝瓜络纤维粉末在振荡混合18h后,对大肠杆菌的抑制率分别为44.28%、6.02%、-34.93%和58.43%。丝瓜络石油醚提取物主要是一些酸类、酯类和烷类化合物,同时也含有一定量的醇类、胺类和角鲨烯、角鲨烷等有效化学成分。化学处理有效的去除了丝瓜络纤维表面的一些蜡质层以及无定型区中的果胶等有利于微生物生长的营养成分,保留了油酸、棕榈酸等有效抑菌成分,但同时经过化学处理后的丝瓜络纤维细胞壁层上出现大量孔洞,这也为大肠杆菌等微生物提供了有利的内部生长环境。因此,丝瓜络纤维粉末对大肠杆菌生长的抑制效果受多方面因素影响,应综合考虑纤维的化学成分种类和相对含量的变化、不同预处理后丝瓜络纤维形貌等多方面因素。(5)丝瓜络/EVA复合填充材料更适合应用于本身没有填充材料覆盖的座椅类型,对座椅表面已经有填充材料覆盖的座椅,其缓压效果不明显。办公椅在有丝瓜络/EVA复合填充材料的情况,其座面的接触面积、压力指数、最大压力和平均压力均无明显差异(P>0.05),表明其对办公椅座面无明显的缓压效果;而其靠背的各项压力指标之间均存在显著性差异(P<0.05),表明丝瓜络/EVA复合填充材料对办公椅靠背具有良好的缓压效果。EVA/丝瓜络复合填充材料对木质椅的缓压效果要明显好于办公椅,EVA/丝瓜络复合填充材料能够增强木质椅靠背对人体腰部的支撑,同时有效的增加人-椅界面的低阈限压力范围内接触面积,并大幅度降低中、高阈限压力范围内接触面积,从而使人体与座椅接触的多数部位均处于一个低压力状态。在覆盖EVA/丝瓜络复合填充材料之后,木质椅靠背、座面的坐姿压力指数、最大压力和平均压力均有显著的降低,有效地减少了人体受到的外部压力,使人-椅界面处于一个相对低压的状态,表明其对木质椅靠背、座面均有良好的缓压效果。
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