長竹纖維束提取及其增強聚丙烯復合材料制備

發(fā)布時間：2020-08-06 16:52

【摘要】：以天然纖維替代合成纖維作增強材料應用于復合材料制備具有良好的經(jīng)濟和生態(tài)價值。本論文以毛竹為原料系統(tǒng)研究了長竹纖維束提取及其增強聚丙烯復合材料制備,構(gòu)建了提取過程分絲方法、軟化工藝與長竹纖維束性能的相關(guān)關(guān)系,得出了長竹纖維束提取優(yōu)化工藝,并對長竹纖維束結(jié)構(gòu)和性能表征分析。以縫合方式將長竹纖維束制成氈,采用薄膜層疊法制備出長竹纖維束增強聚丙烯單向復合材料,探討了采用可降解性玉米醇溶蛋白對復合材料的改性應用及改性機理。本文研究成果對促進竹材的多形式應用及探索竹材在復合材料中應用的多種可能性具有積極促進意義。主要研究結(jié)果如下:通過聯(lián)合梳理以及多級梳理的分絲方法提取了長竹纖維束,研究了分絲方法對長竹纖維束性能的影響。得出:通過梳理分絲可提取得具有竹節(jié)等長的長竹纖維束;聯(lián)合梳理促進了纖維束的分離,有利于提高長竹纖維束細度和力學強度,輥壓聯(lián)合梳理提取的長竹纖維束細度、力學強度均優(yōu)于平壓聯(lián)合梳理;采用二次梳理的多級梳理分絲方法進一步去除了纖維束表面雜質(zhì),提高了長竹纖維束表面光潔度和細度均勻性。以低濃度堿煮軟化提取長竹纖維束,研究了長竹纖維束性能受軟化工藝影響的變化規(guī)律。結(jié)果表明:長竹纖維束膠質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、線密度和力學強度受軟化因子NaOH濃度、溫度和時間影響較大,尤其膠質(zhì)質(zhì)量分數(shù)受軟化工藝影響最顯著,NaOH濃度、溫度和時間三因子對竹纖維束膠質(zhì)去除率效應排序是:NaOH濃度溫度時間,但因子間交互作用影響不呈顯著性。NaOH濃度在≤10%條件下,軟化因子對長竹纖維束拉伸強度影響無明顯規(guī)律性,竹纖維束拉伸強度未表現(xiàn)出隨軟化程度增加而降低趨勢。以膠質(zhì)去除率為指標,長竹纖維束提取的優(yōu)化軟化工藝為:NaOH濃度7.25%,溫度110℃,時間2.5h。此條件下,長竹纖維束實際膠質(zhì)去除率為85.46%。以提取過程有、無超聲處理以及不同竹齡(0.2~4年)竹纖維束為研究對象,對長竹纖維束性能特征表征分析。研究得出:長竹纖維束的化學組成與竹材基本相同,纖維素含量高于竹材;晶體類型與竹材一致,為天然纖維素Ⅰ型;結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性均高于竹材;微觀形貌上竹纖維束中的單纖維形態(tài)完全顯露、表面粗糙,單纖維間有明顯間隙。長竹纖維束力學性能離散性大,這主要是由于纖維結(jié)構(gòu)差異、提取方法及測試方法等因素引起;長竹纖維束平均拉伸強度可達504MPa,平均拉伸模量可達27.28GPa,平均斷裂伸長率為可達2.28%。長竹纖維束力學性能具有威布爾分布特征。超聲處理可增加單纖維間的分散性,提高長竹纖維束拉伸性能,但對長竹纖維束化學結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性影響不明顯。不同竹齡長竹纖維束化學結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能、熱穩(wěn)定性和力學性能均有一定差異性,3年竹齡竹纖維束綜合性能表現(xiàn)較優(yōu)。將長竹纖維束縫合制成氈,以長竹纖維氈為增強體,采用薄膜層疊浸漬法制備了長竹纖維束增強聚丙烯單向復合材料,初步研究了長竹纖維束/PP復合材料性能。結(jié)果得到:縫合技術(shù)可大大提高長竹纖維束在薄膜層疊結(jié)構(gòu)中的鋪設性和單向取向度,30mm間距縫合對復合材料力學性能改善最佳。熱壓壓力5 MPa、熱壓溫度190℃條件下復合材料熱壓效果較理想。纖維體積含量為40%時,復合材料力學性能較優(yōu),拉伸強度和拉伸模量分別為181.83MPa和11.38GPa。合理配置長竹纖維束提取方法有利于提高復合材料力學性能。采用堿處理、堿硅烷處理及可降解性玉米醇溶蛋白處理對長竹纖維束表面改性,研究了復合材料界面及性能。結(jié)果表明:以玉米醇溶蛋白改性處理長竹纖維束,改性處理后復合材料拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量均有所提高,但拉伸強度下降;復合材料的結(jié)晶溫度和熔融溫度不受改性處理影響。玉米醇溶蛋白改性處理對復合材料力學性能的改善效果略高于堿處理,但低于堿硅烷協(xié)同處理。玉米醇溶蛋白改性后復合材料儲存模量、損耗模量降低,這可能是由于玉米醇溶蛋白改性增加了竹纖維束的塑性。玉米醇溶蛋白與長竹纖維束發(fā)生了化學反應,使竹纖維束結(jié)晶度降低、熱穩(wěn)定性提高,并在竹纖維束表面形成一層薄型覆膜,促進了纖維與基體間界面粘合性。
【學位授予單位】：南京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ327;TB332
【圖文】：

天然纖維,微纖絲,微纖絲角,細胞壁

[ 10]。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在細胞壁內(nèi)呈復合結(jié)構(gòu)，由于組成不同，細胞壁在結(jié)構(gòu)上分出不同層次（如圖1-1）。纖維素在細胞壁內(nèi)以纖絲狀存在，纖絲又由許多直徑約10-30 nm的微纖絲組成，木質(zhì)素和半纖維素填充在微纖絲的空隙中。細胞壁內(nèi)微纖絲排列與軸向呈一定傾角，被稱為微纖絲角[ 11]。微纖絲角對纖維剛性有影響，微纖絲角越大，微纖絲排列與纖維軸向越趨向平行，則纖維剛性越強，脆性越大，同時拉伸強度更高[ 9]。圖1-1 天然纖維細胞壁結(jié)構(gòu)圖Fig. 1-1 Structure of natural fiber ’s cell wall與傳統(tǒng)增強纖維相比，天然纖維作增強材料應用具有幾個方面的優(yōu)點：（1）綠色環(huán)保，天然纖維具可自然降解性，對人體無毒害；（2）成本低

示意圖,竹纖維,示意圖,竹材

1.3 竹纖維束提取國內(nèi)外研究進展竹單纖維較短，長度僅約2 mm，在竹材結(jié)構(gòu)中通過橫向和縱向膠質(zhì)粘結(jié)形成束狀，以纖維束形式存在（如圖1-2）。竹材纖維束可通過機械、物理、化學或其它方法從竹材中提取得出。目前關(guān)于竹材纖維束的名稱沒有統(tǒng)一定義，程隆棣根據(jù)麻纖維的廣義定義將從竹稈中經(jīng)由脫膠工藝提取的可用于紗線加工的纖維，稱為竹麻纖維[ 35]。唐人成區(qū)別于竹漿粘膠纖維稱竹材中提取出的束狀纖維為天然竹纖維[ 36]，另有“竹原纖維”、“長竹纖維”、“工藝竹纖維”等稱法。本文根據(jù)材料形態(tài)將竹材纖維束稱為“竹纖維束”。圖1-2 竹纖維束示意圖Fig.1-2 Schematic diagram of fiber bundle in bamboo竹纖維束提取是指利用物理、化學或生物等手段將竹材中束狀纖維分離出來，提取出的竹纖維束可應用于復合材料制備、紡織、造紙等。我國是最早進行竹纖維束提取的國家，在古代就有以嫩毛竹浸水漚制后剝離竹絲用于制漿造紙[ 37]�，F(xiàn)代竹纖維束提取技術(shù)始于上世紀 80 年代末，日本 ToyoPress 公司于 1988 年研發(fā)出一套竹纖維束機械分離系統(tǒng)，制得竹纖維束用以替代玻璃纖維制備整形材料[38]。我國竹纖維束提取研究發(fā)展略晚

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