木质素/HDPE复合材料的制备及性能研究

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我国工业木质素资源十分丰富,制浆造纸工业每年能产生大约3000万吨木质素副产品。目前主要采用碱回收的方法将这些木质素副产物烧掉,回收其中的碱和热量。只有不到10%的木质素副产物经过化学改性应用在工业助剂领域。由于工业助剂领域的市场容量非常有限,难以消化掉整个造纸工业的木质素副产物,需要开拓其它应用途径。近年来,国内外学者尝试将木质素和塑料树脂共混制备复合材料,将木质素用于合成树脂行业,不但可以解决大量工业木质素资源化利用的难题,还降低了树脂工业对石油资源的依赖,对提高生物质资源的利用率、环境保护和社会的可持续发展有重要意义。采用球磨和气流粉碎两种物理方法处理碱木质素(AL)样品,获得四种不同粒径的碱木质素颗粒,气流粉碎碱木质素的平均粒径最小,为3.01μm。将不同粒径碱木质素颗粒分别与高密度聚乙烯(HDPE)熔融共混制备碱木质素/HDPE复合材料。结果表明,复合材料的拉伸强度随着碱木质素含量的提高而提高;在碱木质素含量相同时,碱木质素颗粒粒径越小,复合材料的拉伸强度越大;纯HDPE拉伸强度为22.33MPa,当加入40g气流粉碎碱木质素颗粒后,复合材料的拉伸强度可以达到26.54MPa,比空白HDPE样品高4.21MPa。在断裂拉伸率方面,实验结果发现,碱木质素加入后,复合材料的断裂拉伸率相对于空白聚乙烯样品,减小明显;复合材料中碱木质素的添加量越多,断裂拉伸率越小。纯HDPE的断裂拉伸率可以达到269.1%,碱木质素含量为10wt%的复合材料,断裂拉伸率就下降到了95%左右,碱木质素含量为40wt%,断裂拉伸率只有15%左右。碱木质素颗粒的粒径对复合材料的断裂拉伸率影响不大。流变测试表明,碱木质素/HDPE复合材料表观粘度比纯HDPE大,且碱木质素含量越高,表观粘度越大。随着碱木质素含量的增加,材料的线性粘弹区越来越短,体系储能模量G′和损耗模量G″都呈上升趋势。热分析表明,碱木质素降低了复合材料的热稳定性,含量越高,热稳定性越差;综合考虑能耗和性能,选取200-300目粒径的碱木质素,以20wt%含量制备复合材料。选择增塑剂、润滑剂、偶联剂、增溶剂作为助剂,添加到碱木质素含量为20wt%的碱木质素/HDPE复合材料中,结果发现,增塑剂的加入能很好地改善复合材料的性能。分别采用邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、环氧大豆油(ESO)、氯化石蜡(CP52)作为增塑剂制备碱木质素/HDPE复合材料。研究了不同种类增塑剂对复合材料力学性能的影响,结果表明,除了CP52外,另三种增塑剂都能提高复合材料的断裂拉伸率,其中DOP的效果最优,当DOP添加量为7.5g,复合材料的断裂拉伸率达146.28%,比未添加增塑剂的样品高62.4%。添加不同含量DOP制备复合材料,研究DOP含量对复合材料力学性能、断面形貌、流变性能的影响。复合材料的力学性能结果表明DOP含量的增加有利于复合材料断裂拉伸率的提高;SEM表明DOP的添加使复合材料的断面变的更加粗糙,材料韧性提高;流变性能结果表明DOP能降低复合材料的表观粘度(η)和复数粘度(η*),并且线性粘弹区随着DOP含量的增加而变窄,储能模量(G′)和损耗模量(G″)也逐渐下降。分析认为,DOP分子吸附包覆在碱木质素颗粒的表面,抑制了碱木质素颗粒在HDPE相中的团聚,改善了碱木质素在HDPE中的分散状况,同时降低了碱木质素分子和聚乙烯分子链之间的作用力,从而改善了复合材料的力学性能和流变性能。利用喷雾干燥法制备酶解木质素(EHL)/碳酸钙二元复合填料,以20wt%含量填充HDPE制备三元复合材料。结果表明,当碳酸钙和EHL的比例为1:1时,制备材料的力学性能最优,断裂拉伸率达到80.08%,比单独使用碳酸钙制备复合材料高13.88%,比单独使用EHL制备复合材料高17.76%;拉伸强度达到25.53MPa,比单独使用碳酸钙制备的复合材料高1.12MPa,比单独使用EHL制备的复合材料高5.51MPa。
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