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生物质纤维/聚丙烯木塑复合材料结构与性能的研究

发布: 2011-9-20 13:43 |  作者: 何慧 陈日平 贾德民 |   查看: 1947次

b v{eT8K[P I'G0随着经济社会的发展,可持续发展逐渐成为人类发展的主旋律。生物质纤维/塑料复合材料可对废弃的生物质纤维和塑料进行回收利用,符合绿色环保的可持续发展战略,正受到越来越多的重视[1,2]。但是,由于生物质纤维种类繁多,不同纤维的组成并不一致[3,4],导致其与塑料复合而成的材料性能不够稳定,影响生物质纤维/塑料复合材料工业化的发展。本研究选取几种生物质纤维,探讨纤维物理及化学性质的差异对生物质纤维/PP复合材料性能的影响,为制备性能稳定的木塑复合材料提供参考。北京龙木天成木塑技术推广中心 D]{ B,P|
    1 实验过程 【 略 】北京龙木天成木塑技术推广中心 "m0@._fB,Io oI
    2 结果与讨论
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    2.1不同生物质纤维的微观形貌
ER0@p_Ye6m0    本文所选用的生物质纤维有四种,分别为1#木粉、2#木粉、竹粉和稻糠。图1是不同生物质纤维在100倍偏光显微镜下观察到的表面形貌。从图中可以看到,1#木粉具有一定的长径比,表面比较粗糙,但轮廓清楚;2#木粉表面不规则,有部分轮廓呈絮状,;竹粉纤维具有较大的长径比,且呈半透明,可判断其具有中空结构;稻糠粒径较大,表面比较光滑。北京龙木天成木塑技术推广中心 $V G~+_Bv
    【图1 不同生物质纤维的微观形貌 略】北京龙木天成木塑技术推广中心 Oy!\0u @/fV(l"\
    2.2不同生物质纤维的组成北京龙木天成木塑技术推广中心 s0iLjpW`"p
    生物质纤维的组分主要包括纤维素、木质素和半纤维素,此外还有少量抽提物和无机物。纤维素构成骨骼,外面由其它起着衬质(半纤维素)和结壳物质(木质素)作用的物质包围着。纤维素和半纤维素合称综纤维素,赋予植物细胞壁机械强度。不同生物质纤维之间性质差别是很大的,这主要取决于植物种类、产地、具体部位等。本实验按照国标方法测定所选四种生物质纤维的成分,所得结果如表1所示。北京龙木天成木塑技术推广中心 (Z t e?3}2p!Z
          表1 不同生物质纤维所含成分对比     wt%北京龙木天成木塑技术推广中心 r[r1tK[
组分            1#木粉  2#木粉  竹粉   稻糠
({4sW`M @ RP"C0硝酸乙醇纤维素   45.6    36.3    48.4  38.3北京龙木天成木塑技术推广中心 N@E&n,{\rM
Klason木质素     33.9   15.6     22.2  22.9
pOA"{Z)PWpk Zl0半纤维素         23.7   17.6     19.7  27.3北京龙木天成木塑技术推广中心 r,G[o ^6G-d
1%NaOH溶液抽出物 15.4    27.9    29.6  28.0北京龙木天成木塑技术推广中心 }T-O8V*IY o
灰分             0.8    22.9     2.6  14.4
:A'f o1c{6V5SW0综纤维素         69.3   53.9     68.1  65.6
n]Y.y!h0北京龙木天成木塑技术推广中心 0@.P8h!W~qj
    从表1可以看出,1#木粉和竹粉的纤维素含量均比较高,2#木粉和稻糠的纤维素含量则要低10%左右。在四种生物质纤维中,1#木粉、竹粉和稻糠的综纤维素含量差别不大,均高达65%-70%;2#木粉的则只有53.9%。在木质素含量方面,1#木粉的最高,竹粉和稻糠次之,2#木粉的最低。1#木粉和竹粉只含有少量灰分,稻糠灰分含量为14.4%。而2#木粉灰分含量高达22.90%,远高于普通木材的灰分含量0.3%~1.7%,可能是在磨制木粉的过程中混入了一些无机杂质。北京龙木天成木塑技术推广中心 m%I ku pT
    不同生物质纤维的1%NaOH溶液抽出物含量均较高,说明生物质纤维中含有较多溶于碱的成分。1%NaOH溶液能溶解少量无定形的纤维素和少量的木质素。半纤维素既是支链型结构,又有酸性糖基,聚合度和粘度都低,不仅易溶于酸/碱液,有时甚至可溶于水。此外,1%NaOH溶液还可以溶解部分无机盐、树脂酸等。北京龙木天成木塑技术推广中心 Vu g%z"}
    2.3 不同生物质纤维的红外光谱测试北京龙木天成木塑技术推广中心 #lF p*S&e
    红外光谱法是分析物质成分的一种十分常用的方法。通过图谱所显示的特征峰,可以对生物质纤维结构官能团进行有效的判定。北京龙木天成木塑技术推广中心 C8qXi)s
    图2是不同生物质纤维的红外谱图,从图上可以看出,四种生物质纤维在3373 cm-1和1045cm-1都有强吸收峰,这分别是O-H的伸缩振动吸收峰和C-O的伸缩振动吸收峰。1738 cm-1、1659cm-1特征峰为C=O的伸缩振动峰,这说明生物质纤维中含有大量的极性基团,会导致其与非极性树脂基体的相容性不好。2#木粉在876 cm-1处有甘露糖结构,这种结构一般出现在针叶材中,初步可以判断2#木粉属于针叶材。【 图2 不同生物质纤维的红外谱图 略 】北京龙木天成木塑技术推广中心 ~3z`3Qq:H*D
        表2 不同生物质纤维红外谱图各特征峰的归属
_G%L jUrg0波数(cm-1)     归属北京龙木天成木塑技术推广中心 1B6u S |7Vn }O |
3373         O-H伸缩振动北京龙木天成木塑技术推广中心 JM1iM}`p)v
2903         C-H伸缩振动
(@-E5n ?o+|.Q$|z01738         C=O伸缩振动,非共轭醛酮(往往是多糖的吸收)北京龙木天成木塑技术推广中心 #dN%`^A
1659         C=O伸缩振动,对位取代共轭芳酮的特征北京龙木天成木塑技术推广中心 5^i~r `#~
1045         C-O伸缩,仲醇及脂肪族醚  
d4vB"v)o]:k.m0899          异头碳(C1)振动频率(多糖)
9IQY7XJ0876          甘露糖结构(针叶材)
北京龙木天成木塑技术推广中心 R+g[ x N_/n JKe f

北京龙木天成木塑技术推广中心 O:Ii.j:W j;n

2.4 不同生物质纤维对木塑复合材料力学性能的影响
)Iz9Fmd+O0    由于不同生物质纤维组成不同,性质各异,对复合材料的增强效果也各不相同。本节分别选用1#木粉、2#木粉、竹粉和稻糠四种生物质纤维与PP基体复合,研究不同生物质纤维对木塑复合材料力学性能的影响。图3为不同生物质纤维/PP复合材料(PP/纤维/MPP/PE蜡=49/40/9/2)的力学性能对比。
D ],b)Qm\!Y0    从图3可以看出,不同生物质纤维填充的复合材料力学性能相差较大,其中竹粉/PP复合材料力学性能最好,拉伸强度和弯曲强度分别为47.0MPa和72.1MPa,其次分别为1#木粉/PP复合材料和2#木粉/PP复合材料,而稻糠/PP复合材料性能最差,拉伸强度、弯曲强度分别只有33.5MPa和54.6MPa。北京龙木天成木塑技术推广中心 4Dam\1b P`'l']o.ZLS
    图3 不同生物质纤维/PP复合材料的拉伸强度和弯曲强度【图略】
北京龙木天成木塑技术推广中心 3hp$l;}lg

YGq'^%VUI0X0生物质纤维/PP复合材料的性能受纤维的形貌、强度、粒径、表面等多因素的影响。竹纤维具有最大的长径比,在注射成型时纤维发生取向。在平行于取向的方向,纤维的取向能有效地增强复合材料的拉伸强度;在垂直于取向的方向,纤维的取向则有效地增强复合材料的弯曲强度。由本实验试样的制备和测试过程可以知道,本实验试样拉伸强度的测试方向与取向方向平行,弯曲强度的测试方向与取向方向垂直。因此竹纤维的取向能提高竹粉/PP复合材料的拉伸、弯曲强度。此外,纤维素属于线形高分子,易于结晶,结晶纤维素的强度比较高,因此纤维素含量高的生物质纤维,其对复合材料的增强效果也比较明显。对比表1和图3可以看到,复合材料力学性能的强弱与纤维素含量的高低基本一致:纤维素含量越高,复合材料力学性能越好。纤维素含量的高低,对预测复合材料的力学性能有一定的参考价值。稻糠/PP复合材料的性能较差,除了因为其纤维素含量比较低外,还可能是因为稻糠粉表面比较光滑,纤维与PP复合界面缺少机械耦合,不利于应力传递。北京龙木天成木塑技术推广中心 *i8M)npG4fK2n
    2.5 生物质纤维含量对木塑复合材料力学性能的影响北京龙木天成木塑技术推广中心 2AX%TV-`1xu
    生物质纤维的含量是影响木塑复合材料力学性能的重要因素,本实验分别研究2#木粉(以下实验所指的木粉均为2#木粉)、竹粉和稻糠三种生物质纤维的含量变化对PP基复合材料性能的影响。同时选用马来酸酐接枝聚丙烯MPP为复合材料的界面改性剂,其用量为9%。北京龙木天成木塑技术推广中心 8]wU}$v
图4是不同生物质纤维含量对复合材料力学性能的影响。从图上可以看出,在纤维含量不超过50%时,木粉、竹粉和稻糠的加入使三种复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均得到明显的提高,而且随着生物质纤维填充量的增加持续上升,说明生物质纤维对PP有很好的补强效果。而三种纤维中竹纤维补强效果最好,其次是木纤维,稻糠纤维次之。
q.p,i;Odko{0    【图4 不同填充量的木粉、竹粉和稻糠对复合材料(含9%MPP)力学性能的影响 图略】
北京龙木天成木塑技术推广中心 &`T0Nc$g@%d

北京龙木天成木塑技术推广中心 Ji ^9JQ3gM5MI aV|;n

高分子具有强度在于主链的化学键力和分子之间的作用力,所以增加高分子的极性或产生氢键可使强度提高。PP属于非极性材料,分子间作用力弱;生物质纤维表面含有较多羟基和少量羰基,属于极性材料。以生物质纤维填充PP,两者极性不同,相容性不好,但加入相容剂马来酸酐接枝聚丙烯(MPP)后,MPP中的PP链段与PP相容性好,分子链可相互缠绕,而接枝上的酸酐基团可与生物质纤维表面的羟基形成共价键或氢键,从而改善了生物质纤维与PP的相容性。极性的生物质纤维在PP中的填充,一方面提高了材料的分子间作用力;另一方面,生物质纤维通过MPP中的PP链段与基体树脂PP的链段产生缠绕,限制了PP链段的滑移,一定程度上起到物理交联点的作用。因此,生物质纤维对PP有良好的补强效果。北京龙木天成木塑技术推广中心 1MMfF(r|,|6FE)D
    2.6 生物质纤维粒径对复合材料力学性能的影响
8w;B-i8@'wH)?m8UH0    本实验研究生物质纤维粒径对复合材料力学性能的影响,所采用的生物质纤维是2#木粉。生物质纤维质量占30%,MPP占9%。北京龙木天成木塑技术推广中心 `-PZ{1Ih C
    图5 生物质纤维粒径对复合材料(含30%纤维,9%MPP)力学性能的影响【图略】

~|X%w4{0s!n'M5P8W1|0 北京龙木天成木塑技术推广中心 !b!U&p&f)m+M1f

从图5可以看出,在160-40目范围内,随着生物质纤维目数的减小(即粒径的增大),复合材料的各项性能均不同程度地提高,在80目时综合性能最佳。这是因为在160-80目范围内,生物质纤维粒径增大,团聚的趋势降低,容易在塑料基体中均匀分散。而且在界面相容性好的前提下,生物质纤维粒径越大,其表面包覆的塑料越多,塑料基体受到外力作用时应力更容易传递到生物质纤维上。
s,uC*vk _o0    2.7不同生物质纤维/PP复合材料的结构形貌
C!SWs]+o0    图6是生物质纤维/PP复合材料加有界面改性剂MPP前后体系冲击断面的扫描电镜照,从图中可以看到,在MPP的作用下,复合材料的冲击断面均比较粗糙,PP包覆在纤维表面,两相界面比较模糊,说明该体系相容性良好,生物质纤维起到良好的增强作用。
qM H8h;R0   【图6 不同生物质纤维/PP复合材料(含40%纤维,9%MPP)的表面形貌(X500) 图略】北京龙木天成木塑技术推广中心 0Kt`H4]Ik
    3 结论北京龙木天成木塑技术推广中心 R/t C UgEiA
    (1)不同的生物质纤维其所含纤维素、半纤维素、木质素和灰分等的比例不同。纤维素含量的高低,对木塑复合材料的力学性能有影响。竹纤维的纤维素含量最高,且具有最大的长径比,在成型过程中发生取向,能有效的增强PP。北京龙木天成木塑技术推广中心 S oyV g)yd\
    (2)生物质纤维的粒径和用量对对PP的增强效果有影响:当纤维粒径为80目时增强效果最佳;纤维含量不超过50%时,复合材料的力学性能随着生物质纤维填充量的增加而相应上升。

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