竹纤维/聚丙烯复合材料的制备及其性能研究

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我国竹材资源丰富,素有“竹子王国”的美称。竹子因生长速度快、再生能力强、成才早、产量高、强度高、成本低等优点,而被广泛应用于住宅、家具、包装、运输等领域。但因中空壁薄多节的特殊结构,其综合利用率不到40%,大量竹材在加工过程中成为废弃物,只能作为锅炉燃料,浪费资源的同时,造成了环境污染。利用竹废弃物制备竹塑可以节约资源,保护环境,提高竹废弃物的附加值,实现竹材资源的高效利用,是解决上述问题的有效途径,具有重要科学意义和广阔应用前景。本文通过竹废弃物与常见木材废弃物以及不同部位竹材制备出了聚丙烯(PP)基复合材料,并对复合材料的性能及其影响因素进行了系统分析,揭示了竹木化学成分、微观结构对纤维形态及复合材料性能的影响规律,为高性能竹塑的制备提供了理论基础;通过热处理对竹废弃物进行改性,探究了热处理工艺及马来酸酐接枝聚丙烯对复合材料性能的影响规律,并对热处理经济可行性进行了综合评价,为热处理竹塑的实际生产提供了理论指导。本文的主要研究内容和结果如下:(1)对毛竹/PP、杨木/PP、桉木/PP、杉木/PP、染料紫檀/PP五种复合体系进行了系统研究。因抽提物含量低、灰分含量低、结晶度较高,杨木和桉木的长径比较大,其复合材料拉伸弯曲强度较高。因最高的木质素含量,杉木热稳定性好,其复合材料模量最高,其较高的小颗粒含量,抑制了PP基体结晶,降低了复合材料的加工性能。染料紫檀抽提物含量高达26.12%,结晶度低,抽提物抑制了PP基体结晶,降低了界面结合强度,染料紫檀/PP的强度较低,但抽提物的润滑作用有助于改善加工性能。因为半纤维含量高达22.63%,纤维素含量仅为34.70%,竹废弃物热稳定性最差,且长径比仅为2.07,毛竹/PP的力学性能最差。综合来看,竹废弃物制备的竹塑性能稍低于传统优质木塑,具有广泛应用的潜力,有进一步研究的价值。(2)利用整竹、竹青、竹肉、竹黄、竹节、竹废弃物等不同部位竹粉制备了竹塑复合材料,并对竹材不同部位竹粉的成分、结构、形态、及竹塑复合材料性能进行了系统研究,发现竹子不同部位因解剖结构和化学成分的差异,破碎机理不同,制备的竹粉形态和尺寸不同,最终导致了竹塑性能的差异。竹青中维管束分布致密,富含坚硬强韧的厚壁纤维细胞,纤维素和木质素含量最高,结晶度最高,刚性最大,粉碎时形成的纤维最长最细,平均长度和直径分别为996μm和191μm,长径比最大,达6.20,竹青/PP的强度较高,模量最高,抗蠕变能力最强;竹黄富含脆弱的薄壁细胞,半纤维素含量最高,木质素含量最低,结晶度最低,破碎时形成的竹粉最短,仅为419μm,长径比最小,仅为2.14,竹黄/PP的强度、模量和加工性能均为最差;竹节因为纵横交错的维管束结构,其竹粉拥有最粗糙的表面和最大的直径(249μm),延展性和韧性最好,竹节/PP的损耗因子、蠕变应变、断裂伸长率均为最高,冲击强度也较高。(3)利用自主研发的多功能植物纤维粉体干燥机对竹废弃物进行热处理,并对处理温度和时间,以及马来酸酐接枝聚丙烯的作用进行了探究。结果显示,竹废弃物经热处理后,可提取25~30wt.%的竹材有效成分提取液,提取液提纯得率为98.0~99.2wt.%,大幅提高了竹废弃物资源的附加价值,降低了竹塑的生产成本,且一定程度上提升了竹塑的力学性能和防霉性能,是一种经济可行的改性技术。160℃处理3h,在保持较低处理成本的情况下,制备的竹塑拉伸、弯曲强度略有提升,冲击强度提高了39%,霉变防治效率约为9.4%,综合收益率最高。MAPP的加入使竹塑的拉伸强度、弯曲强度、拉伸模量和弯曲模量分别提升了118%、82%、78%、33%,断裂伸长率降低了40%,尺寸稳定性提升了约25%,霉变防治效率达38%,但缺口冲击强度降低了约41%。
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