硕士学位论文-塑木复合材料力学性能及其制备工艺的研究.pdf

分类号 二 学位论文 塑木复合材料力学性能及其制备工艺的研究 作者姓 名 来晓春 指导教师姓名 申请学位级别硕士学科类别 学科专业名称 应用化学 论文提交日期论文答辩日期 学位授予日期答辩委员会主席 工 学 年月牛日 孙粼萄 评阅人 东北大学 年月 八 川韶 山 明 思 出 。企 , 加翻污 找 耽 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 。 论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外 , 不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果 , 也不包括本 人为获得其他学位而使用过的材料 。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意 。 学位论文作者签名 日期 口口左 鱼 、 呜 肴 翔 十 月 上切 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 、 使用学位论文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 , 允许论文被查阅 和借阅 。 本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 、 交流 。 另外厂女时乍者和导师不同意网上交流 , 请在下方签名否则视为同意 。 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 签字日期 东北大学硕士学位论文摘 要 塑木复合材料力学性能及其制备工艺的研究 摘要 木份热塑性树脂复合材料具有比强度高 、 价格低廉等特点 , 但木粉与热塑性树脂 的相容性较差 , 加工困难 。 本文针对木粉高密度聚乙烯树脂的复合材料 , 研究改善木粉增强高密度聚乙烯复合材料力学性能的途径 。 结果表明 , 随着木粉加入 量的增加复合体系的力学性能得到明显改善以马来酸配接枝高密度聚乙烯 为相容剂 , 研究了相容剂的加入对复合材料力学胜能的影响通过适 当的方法对木粉进行表面处理 、 对基体树脂进行改性 , 可以有效地提高复合体系的界 面粘接强度 , 大幅度改善复合体系的力学性能采用短切玻璃纤维与木粉组合增强 , 可以获得力学性育 断良高 , 作为结构材料使用的复合材料采用木粉分别与聚丙 烯 、 低密度聚乙烯制备了塑木复合材料 , 并对其性能进行比 较 。 以木粉 、 树月旨等为原料制备了低发泡塑木复合材料 , 对低发泡塑木复合材料的 密度 、 吸水性 、 力学性育幽注 行了测试 。 结果表明该复合材料的密度与原木十分接近 具有极佳的防水性能 , 含水率不超过 剑申 强度 、 弯曲强度 、 冲击强度 、 压缩强度 、 拔钉强度等力学性能能够满足所生产的产品性能的需要 。 以废弃木粉为增强材料 , 采用双螺杆挤出机 , 制备木粉增强高密度聚乙烯复合材 料 , 研究了塑木复合材料挤出加工工艺 , 探讨复合材料生产工艺和型材结构设计 , 进 一步探讨复合材料的应用研究 。 关键词木粉高密度聚乙烯复合材料力学性能制备工艺 东北 大学硕士学位论文 币 脚 甲 帅 卜 , 侧因讹的幼 以劝 且 皿泪, 功阳址玩出湘” , 以朗叩 , 址沙就优 , 认七七 以对 面 玩 以对 珊肠 沂 也址面叭币 认吧, 时也歇抽 军币 因的幼 认弋珍 加甲 叭刃 认旧 抬盼 一一 招 次比以化五正 侧 沈 曲记七 二切云沁巴劝戒 以对 。世 即 访奴玉 戈 迁 娜 扯而。叭训岁涌坦 讹 扯面川 , 羌副 , 勿伪砒而飞 以刃 沈 趾范 以对 坦因 叭咫 印助 叭旧 , 刃址而 拌币云 以爪甲即司 】以对扣 副 、 印助记丘 亡 且 叮明 厂几 ,加 抽而浦助幼 记劝刃 山成曲幼,研厄把助记了厄把 到 也明几 州 份飞么饮泊泊 , 城 代泊 切娜以石皿 就份 玩 州恤罗画颐 扯红训群涌 以 冶 记 毗 以均 讹 玫以比 过 初 从心 卿助记 加初 抓邢 巴加川 而 即,卯成如 斑范 以对 叨州因 奋认 吐训油以如 脚 川 以沮 娜咖曲 彻勿彻日叮叨以 叮 川 叭汇旧 切侧叩抽而 详币 因顾 劝由 东北 大学硕士学位论文 目录 摘要 “一 一 月昭 “ ”“,一,”一 一 “一“ ,一, 一 ” “ ” 五 第一章引言 “”“”“ ”“ ” “ ” “”“ ”二 复合材料简介 一”“ , 复合材料的发展历史及现状 “” ” ” ” “ ” ” ”“ “ 二 “ 二 ”“ “ “ 复合材料的种类 ” “ ” ” ”“ ” “ ”二” ” ”“ ”二” “” 塑木复合材料的研究历史及现状 ” 塑木复合材料的性能及生产工艺 塑木复合材料与木质材料的性能 助交 “”“ ”二 ”一“ “二”“ “ “ “ ”二 “ “ 二 塑木复合材料的生产工艺二 “ ” ” ”“二“ “ “ “ ”“ “ “ ” “ 二 “ ” “ “ 塑木复合材料的特点及适用范围 一 ” ” ” ” “ “ ”二 ”“ “ ” ” ” “ “ ” 基体树脂的选择 树脂的简介 二“ ” ” ” ”“” ” ” “ ”“ ”“二 ” ”二”二“ ” ”一“ “ ” 树脂的选择 二“ ”“ ” 木质纤维的特点 , 木质纤维的组成二 “一“ “ “ “” ” ”“二“ “ ”“ ” “ “二”“”二 “ ” “ “ ” ” 木质纤维的特点 “ ” ” ” ” ” “” ”“ “ “ ” ” “ “ ” ” ” ”二 ” ” “ ” ” ” 提高界面相容性的方法 ” 论文选题的目的和意义 第二章塑木复合材料的制备技术 “” “ ”“ ”“ ” “ ”“” ” “ ” “ ” 试验原料与助剂 仪器设备 , 样品的制备 原料的干燥 “ “ ” ”“”“ ”“” “ “” ”二“ “二”“” ”“ “ “ “ ”“ ” ”一 木粉表面的预处理 二 ” ”“ “ “ “二“ “二”“” ” ” ” ”“ “ “ “” ”“ ”一 礴妙月鲤划也丝二一一一一一 一 二主一 复合材料样品的制备 一一一一一一 “ 换喊分析方法 , 拉伸 、 弯曲性能的测试 “”“ “”二“ 二 ” “ “ ” , “ ” “二” ”一”“二” “ 冲击性能的颇组 试 ” “一”“二“二“二“”二“” “ “ ”“ ” “”二” ”“ “ 第三章塑木复合材料的力学性能 ” “ “ “一 一一 一一 木质纤维对复合材料的影响 , 巧 木粉粒度对材料力学性能的影响 ,“ “” ”“ “ “ ”“” ” ” ” “ ”“ ” 巧 木粉含量对材料力学性能的影响 二 ” ” ” ” ” ”“ ” “ “ “ ” ” ”一“ “ ”二 ” 巧 木柳废日聚乙烯的弯曲强度 二 “ “ ” ”“ ” ” “ ”“ “ ”“ ” 相容剂对复合材料的影响 相容剂的特点 ”一” 一 ” ”“ “ 二 ” ” ” ”“ “ “ 二 ” “ ”“ “ ” ” ” ” ” 不同相容齐咐料的力学性能 二“ 二 ”二 “ “ “二“ ” ” ” ” ” “” ” ”“ ” ”“ 二 “ 相容齐 佣量对复合材料力学性能的影响 ” ” “” ” , ” 界面处理对复合材料的影响 , 木粉与短切玻璃纤维的组合增强 填加和对材料力学性能的影响 低发泡塑木复合材料 发泡塑木复合材料配方原料的选用 ” ”“ ”“”二” ”一”“ “”“”二 “” 发泡塑木复合材料的性能 “ ” ”二 ” “ “ “”“ 二 ”“ ”“” “ ” , “ 一 “”“ “ 第四章塑木复合栩黝口工工艺的研究 “”“ “ “ ” “”“ “一“ 主要生产和试验设备 塑木复合材料的生产工艺设计 原料处理工艺 ”“ “ ”二 ”“ “ “二”“”“二”二“” ”“ “ “” 一”“”“” ” ”一 混料工艺 “ ” “ “ ”二” “ “ 二 ” “ ” ”“ “ 二 ” “ ”“ ”“”“”“ ” ” ” ” ” 挤出工艺 二 ” ” “ ”“ “ ” “,“ ” ” “”“ 一 塑木复合材料的生产工艺的研究 生产工艺流程图 ”“ “ ” ”“ 二 “”“ “ “ 一一 , ”“ “,” ” “ ” 一 ” “”一 ” 生产工艺过程 ”“ “ “ “ “” ”“ “ ” “ ”“ ” ”“ ” ”“”“ “ “ ” 一 东北大学硕士学位论文目 录 生产工艺的影响因素 , “ “ 烘干处理对生产质量的影响 加工工艺条件对生产质量的影响 第五章塑木复合材料的应用 ”二“” “ “”“ ” 。 “二“ “ ” “” “ ” “ 塑木复合材料的优点 , 塑木复合材料的应用 塑木托盘型材的设计 二” ” ” ” ” ”“ 二”二“ “ 二 ” “ “ ” ”“ “ “ “ “ “ “ “二” ” ” 塑木装饰地板的设计 ” “” ”“ ”二 ” ”二” ” ” “” 塑木枕木的设计 “ ” “ “” ”二 ” ” ” 第六章结论 “ ”“ ” ” “”,”“” “ ” “ ” “ ”“ ”“”“ ”“”二 参考文献 ”“ ” “”“” “ “ “ ” “”“ ” “ ”“ ” “ ” “二 致谢 “ ”二” “ “ ” “ ” “ ” “”“”“ ” “ ”“二 文章发表及获得专利情况 “” “”“”“”“ ”“ ”“” “ ”“”“ ”“ ” 东北大学硕士学位论文 第一章引言 售自一崔参 己兰 石月切二不二刁 复合材料简介 复合材料是现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料 , 它由两种或 两种以上性质不 同的材料 , 通过各种工艺手段复合而成 。 复合材料的各个组合材 料在性质上起协同作用 , 得到单一材料无法比拟的优越的综合性能 。 复合材料具 有刚度大 、 强度高 、 重量轻的优点 ,一 。 随着材料科学的发展 , 各种性能优良的新 材料不断出现 , 并广泛地应用到各个领域 。 然而科学技术的进步和社会的发展对 材料的性能也提出了更高的要求 , 如减轻重量 、 提高强度 、 降低成本等 。 塑木复 合材料便是如此 , 木粉廉价易得且具有一定的强度 , 可以作为增强剂来改进高密 度聚乙烯的力学性能 , 并降低生产成本 。 复合材料的历史和发展现状 在自然界中 , 有许多天然复合材料 , 如竹 、 木 、 椰壳 、 甲壳 、 皮肤等 。 人类 早在年前就知道用稻草与泥巴混合垒墙 。 年以前 , 中东地区曾用芦苇 增强沥青造船 。 这些都是早期人工制备的复合材料 , 因此 , 复合材料并不是人们 发明的一种新材料 。 现在建筑业已发展到用钢丝或钢筋强化混凝土复合材料盖高 楼大厦 , 用玻璃纤维增强水泥制造外墙体 。 年玻璃纤维增强树脂基复合材料 的出现俗称玻璃钢使造船业前进了一大步 。 年代末期发展的用高强度 、 高 模量纤维与轻金属复合材料制成的金属基复合材料以及碳碳复合材料则有高比强 度 、 高比模量 、 耐热 、 耐烧蚀等特点 , 已广泛用于航空航天等尖端技术领域 。 年代开始逐渐发展的陶瓷基复合材料 , 采用纤维增刃补强 , 大大改善了陶瓷基体 的脆性奋可见随着科学技术的发展 , 现代复合材料已被赋予了新的内容和使命 , 成为当代极分重要的工程材料 。 自年代美国诞生了玻璃纤维增强塑料以来 , 近年代来 , 随着新型增强 材料的不断出现和技术的不断进步 , 聚合物基 、 金属基 、 陶瓷基 、 混凝土基复合 材料和碳碳复合材料争议前所未有的速度向前发展 。 可预料 , 世纪我们面临的 将是复合材料迅猛发展和更广泛应用的时代 。 东北大学硕士学位论文第一章引言 复合材料的分类 按基体材料的种类复合材料可分为以下几种聚合物复合材料金 属基复合材料陶瓷基复合材料石墨基复合材料混凝土复合材 料 。 以炭 、 芳纶 、 陶瓷等纤维 、 晶须等高性能增强材料与耐高温聚合物 、 金属 、 陶瓷 、 炭炭石墨等构成的复合材料 , 用于各种高技术领域量少而性能要求高 的场合 , 塑木复合材料的研究历史及现状 植物纤维复合材料在几千年前就有应用 。 我国早在年前 , 就出现了用麻 丝和大漆制成的漆器 , 且流传至今 。 利用植物纤维与合成树脂进行的复合研究 也具有较长的历史 , 最初研究的木纤维以粉状的形式 , 被用作填料被加入到热固 性塑料中 。 这一阶段由于高分子科学的发展水平及技术手段的限制 , 应用最多的 纤维是长度较大的韧皮类纤维 , 如亚麻 、 黄麻等 , 树脂也多为热固型树脂 , 如酚 醛树脂 、 不饱和聚酷等 。 工业较为简单 , 其中最为成功的应用是木浆纤维增强酚 醛树脂注射成功 , 而且年得到了商业化的产品 。 年代后 , 人们开始着手对植物纤维 热塑性塑料复合材料进行研究 , 这方 面尤以印度 、 日本 、 欧美等国最为活跃 。 许多学者对聚丙烯木纤维复合材料作了 大量的研究 , 尝试用偶联剂 、 分散剂等方法来改善聚丙烯与木纤维的相容性 , 得 到了较好的实验结果 。 他们用木纤维对聚烯烃的增强作了初步尝试 , 选用不同的 植物纤维对热塑性塑料 、 增强 , 效果也很明显 。 许多国家将植物纤维 热塑性塑料复合材料从实验室发展为商品 , 产生了很大的经济效益 , 日本曾采用 聚丙烯与木粉或稻壳粉复合制成了合成木材 , 它具有重量轻 , 尺寸稳定性好 , 耐热性好 , 流动性好 , 易于加工 , 且其外观具有良好的木质感等特点 。 另有资 料报道 , 美国公司利用废塑料膜回收料与锯末掺混作挤出型材 , 其复合材 料具有对紫外光稳定 , 耐湿 , 着色性好 , 易于油漆 , 有木质感等特点 , 易于加工 成地板 , 公路护栏及柱子 。 德 国市场上出现了木纤维增强聚丙烯板制造的 汽车制件 , 用木纤维增强的减震压延片材等产品 。 特别值得一提的是加拿大的 公司利用与木质纤维生产出一种可替代木质托盘的新材料 , 其机械 性能与物理性能均可与硬木相比 , 具有许多硬木与塑料所没有的优点 。 该产品 的各方面性能如表所示 。 东北大学硕士学位论文第一章引言 表新材料和托盘的主要性能 性能数值性能数值 密度 , 吸水性 抗弯 、 抗压模量 、 强度与硬木相当标准托盘 一 吨 冲击强度能承受各种托盘搬运承载 一 吨 工作温度过程中所承受冲击货架承载 结构尺寸 公差小 , 稳定性高可回收性 材料是采用废旧 、 锯末 、 花生壳以及特殊的粘合剂复合而成的 , 其中 , 锯末粘合剂科 。 该产品的四大特点是的原 料为废旧材料 , 而且价格便宜 , 可直接与木材竞争可制作各种尺寸 , 规格的托 盘和包装箱结构型材 , 其各项机械性能与硬木相当 , 整个托盘的耐用性能 优于优质硬木托盘的倍产品不被任何虫蛀咬 , 不长真菌 , 不繁殖细菌 , 抗强酸碱 , 不吸收水分 , 不易变形等产品可以地回收再生 。 材料己经投入并大批量生产 , 产品在北美市场非常畅销 , 经济效益显 著 , 在全球将具有广阔的市场前景 。 现在 , 公司已经开始在全球转让他们 的专利产品 , 包括材料配方 , 混炼设备 , 螺杆技术以及模具等 , 转让费和软硬件 投资都和昂贵 。 针对这种情况 , 我们参考国外先进的技术及产品 , 开发自己的塑 木复合材料产品 , 填补国内空白 , 满足国内外市场的需要 。 尽管植物纤维热塑性塑料复合材料研究已经取得了较大的发展 , 但我国在这 方面所开展的士作比较少 , 而具多数工作只是在实验室阶段 , 而且也没有得出让 人满意的结果 。 从实用性及商品化角度来看 , 仍需进一步工作 。 具体到本试验工 作 , 涉及到基体树脂的选择 , 木粉的预处理 , 极性木粉与非极性塑料之间的相容 性等问题 。 植物纤维是自然界中最丰富的天然高分子材料 , 其生长总量高达千亿吨 , 远 远超过了地球上现存石油的总储量 , 在自然资源日益缺乏的今天 , 布分利用植物 东北大学硕士学位论文第一章引言 纤维资源的潜力 , 发挥它独特的功能和特性 “ , 川 , 开发它新的应用领域 , 是当今 引人注目的研究热点 , 并且在环境保护和资源保护方面都有重要的意义 。 而植物 纤维与热塑性塑料复合是开发和利用这一资源的有效途径之一 。 塑木复合材料的性能及生产工艺 塑木复合材料与木质材料的性能比较 表塑木复合材料与木质材料的性能比较 几 幻。 硕一 性能板杨木塑木复合材料 拉伸强度胭 抗弯强度胭 抗弯弹性模量胭 ,口、 史 握钉力加 板面 侧面 气干材 内 含水率 密度 , 端面硬度舰 小时含水率 最大厚度膨胀率 冲击韧性服 , 纵向抗弯强度胭 表将中密度纤维板板 、 杨木 、 塑木复合材料之间的性能差异进 行了比较 , 这种差异主要与材料的结构有着密切的关系 , 中密度纤维板是将木材 进行纤维化处理 , 再经高温高压生产出来的 , 材料的主体是木质纤维和纤维素 。 杨木的弯曲性能较高主要与其木材结构和木材细胞壁厚薄有关 , 我们知道木材的 密度和木材的强度呈线性关系 。 而塑木复合材料的基材是高密度聚乙烯 , 木粉只 是填充在缝隙中起填充作用 , 弯曲试验过程中发现线弹性阶段较小 , 变形较大 , 断口平直 , 属于脆性断裂 , 而木材韧性较大 , 端口撕裂 , 因此塑木复合材料比木 材的弯曲强度低 。 塑木复合材料的硬度大于中密度纤维板和杨木 , 这主要与其密 度大有关 。 中密度纤维板 、 杨木 、 塑木复合材料的握钉强度相差不大 , 这说明木 东北 大学硕士学位论文第一章引言 基材与塑基材的握钉性相差不大 。 木材的抗压强度略高于塑木的抗压强度 , 这主 要是 由于塑木的硬度和密度较高所导致 。 塑木复合材料的生产工艺 木塑复合材料的旭工技术是依据废旧塑料复合再生工艺 , 以废弃的塑料和锯 末为主要原料 , 通过增容共混工艺生产的实用技术 。 将经过处理的混合废旧塑料 与填充剂等改性剂一起熔融混炼 , 制成复合再生料 , 然后再成型为具有使用价值 的再生制品 。 生产木塑板材主要有以下种工艺路线 挤出成型工艺由单螺杆或双螺杆挤出机挤出成型 , 可连续挤出任意长度 的板材 。 该工艺又可分为单机挤出和双机复合挤出板材 , 复合挤出是在塑木板材 的外表同步挤出一层纯塑料表层 , 成为在特殊场合使用的木塑板材 。 热压成型工艺可成型一定规格的不连续板材 , 加工工艺类似于中密度纤 维板的成型工艺 。 挤压成型工艺挤出机和压机联用的一种挤出和加压的同步工艺 。 其成型 的板材长度要大于热压成型的板材 , 制品综合性能优于挤出工艺的板材制品 。 塑木材料加工工艺控制的关键是防止混炼和成型加工过程中塑料及锯末的热 降解和焦烧 。 锯末作为有机物热稳定性较差 , 其中的半纤维素和木素容易分解 , 有氧存在时 左右即发烟变色 。 因此 , 在木塑复合材的配方及工艺技术中 , 解 决木粉与塑料树脂的界面结合 , 是该技术的关键 。 塑木复合材料连续混炼制造技术 , 是利用祸合技术 , 将木粉 、 木屑与热塑性 塑料结合 , 并利用连续混炼技术制成高强度复合材 。 由于采用木质纤维作为补强 材料 , 产品在表面硬度 、 机械强度 、 防虫 ,、 防水 、 尺寸稳定性均佳 。 工艺流程 废旧塑料 、 废旧木粉混合挤出成型组装产品 塑木板材制品的加工与传统的木材加工和塑料加工相比具有显著的技术特 点塑木板材生产工艺流程是将选型后的木粉经过干燥等处理后 , 按照不同用途 的配方要求进行混合 、 粉碎 , 按照型材要求由塑料加工挤出机加工成型 , 并进一 步加工成产品 。 各种木质纤维可由木材下脚料 、 麦秆 、 稻壳等加工而来 , 特别是 废旧木粉 、 锯末等的利用无疑是对社会环境的有效保护 。 不仅有利于人类生活环 境 , 更是对有限资源的合理利用 。 口 东北 大学硕士学位论文第一章引言 产品特点及适用范围 以塑木复合材料来代替木材 , 不仅可 以减少对木材的需求量 、 节约大量的森林 资源 , 而且缓解了白色污染日益严重的问题 。 它是一项利用废弃资源综合开发 、 变废为宝 , 既具有很高的经济效益 、 又具有良好的社会效益的可持续发展特点的 环保型材料 娇以说 , 黑幻眯嫩抖县有显著的经济 、 社会和环境效益 , 符合我 国可持续发展战略 , 极具推产价值 。 塑木复合材料具有以下特点 产品不需油漆 , 不污染环境 , 可回收再生利用抗紫外线 , 耐候性优良 , 不易 腐蚀 , 适于室外 、 露天日晒雨淋的休闲 、 体育场地 、 近水景观等场所可按用户 需要配色调色 、 可清洗 、 维护方便防蛀 、 防腐 、 防水等加工简单 、 任何木加 工机械都可胜任装配 , 机械性能好 , 的原料为废旧材料 , 且价格便宜 , 可制 成各种截面形状的制品 , 可锯 、 可刨 、 可钉不长真菌 、 抗强酸强碱 、 不易变形 等 。 适用范围 建筑结构材料室内外各种铺板 、 栅栏 、 建筑模板 、 防潮隔板 、 楼梯板 、 扶手 、 门窗框 、 站台 、确,水上建筑、 路板等汽车上应用门内装饰板 、 底板 、 座 椅靠背 、 仪表板 、 扶手 、 座位底座 、 顶板等 。 物流方面的应用各种规格的运输托盘和出口包装托盘 , 仓库铺垫板 、 各类 包装箱 、 运输玻璃货架等 。 园林方面应用室外桌椅 、 庭院扶手及装饰板 、 花箱 、 露天铺地板 、 废物箱 等 。 室内装演方面应用各种装饰条 、 装饰板 、 镜框条 、 窗帘杆 、 窗帘圈及装饰 件 、 活动百叶窗 、 天花板 、 壁板等 。 】 基体树脂的选择 树脂的简介 , 月且 聚乙烯是乙烯加聚而成的高分子化合物 。 作为塑料的聚乙烯分子量要达到 万以上 , 根据聚合条件的不同 , 实际分子量可以从万到凡百万之间不等 。 聚乙 烯是一种结晶高聚物 , 影响聚乙烯之最重要的结构因数是分子量的大小及分布 , 分子链的支化度及结晶度 , 在聚乙烯分子中 , 除大部分是直链线性结构外 , 也存 在链转移所致的支链 , “ 侧基端稍丰的甲基及其他不饱和基团 。 聚乙烯分子中晶相 东北 大学硕士学位论文第一幸引言 的存在使它虽然有较低的玻璃化温度 , 但在较宽的温度范围内能保持它的机械性 能 。 聚氧乙烯是氯乙烯的均聚物 , 数均分子量约为一万 。 聚氯乙烯制品有软 硬之分 , 它们的性能有很大差别 。 聚氛乙烯在一 就会变软 , 玻璃化温度为 , 燃烧特征为难燃 , 但在空气中超过 就会放出 , 引起 自催化 作用而降解 , 长期暴露于 下 , 除非加入碱性稳定剂 , 否则也会降解 , 若超 过 , 迅速分解 。 聚丙烯由丙烯聚合而成 , 分子量“万 。 目前所产的聚丙烯中 , 都是 等规聚丙烯 , 其余是无规或间规聚丙烯 , 等规聚丙烯具有较高的结晶度和 良好的 性能 , 无规聚丙烯象未硫化的橡胶 , 其熔点 , 硬度 , 刚度都很低 , 间规聚丙烯介 于无规和等规聚丙烯之间 。 聚丙烯是结晶性高聚物 , 机械强度不仅和分子量而且 和结晶度有关 , 如球晶大而结晶度高时 , 则制品的硬度大 , 韧性低 。 聚丙烯独特 的性能之一是具有良好的耐弯 曲疲劳性 , 耐环境应力的开裂性 , 聚丙烯在加工前 不必干燥 , 提高温度和压力都能增加其流动性 , 有以压力更显著 , 因此通常在较 高的压力下不低于兆帕成型 。 树脂的选择 从经济和性能的综合考虑 , 本试验主要以高密度聚乙烯为研究对象 。 聚丙烯 不添加稳定剂天就变脆 , 室温 、 低温时的抗冲击性能不及聚乙烯 。 而且由于叔 炭原子易生成氢过氧化物 , 然后分解成拨基 , 引起主链的断裂 , 因而聚丙烯在加 工使用的过程中易受光 、 热 、 氧的作用而使材料老化 。 聚氯乙烯树脂的熔融温度 与分解温度较为接近 , 添加添加剂后在混炼时又加剧了内摩擦 , 产生大量内热 , 因此 , 加工温度较难控制 。 而且聚氛乙烯还要添加增塑剂才能克服本身的脆性 , 而液态的增塑剂又及易被锯屑吸收 , 同时聚氯乙烯使用时受光的作用极易降解老 化 。 另外聚丙烯和聚氯乙烯的加工温度高 , 若加工时间长 , 木粉极易烧焦 。 而聚 乙烯的耐都匕降解和加工方面的性能都比较优越 。 木质纤维的特点 木质纤维的组成 植物纤维的结构与无机纤维和有机纤维的结构有很大的不同 。 天然纤维素是 有许多 一毗喃式葡萄糖相互以一昔糖相互连接而成 的多糖 。 纤维素大分子的重 复单元每一个基环内含有个轻基 , 这些轻基形成分子内氢键 , 使纤维具有吸水 东北大学硕士学位论文第一章引言 性 , 吸湿率达 。 木质纤维的元素组成为约为 , 约为 , 约为 , 约为一其主要成分是纤维素 , 半纤维素 , 木质素 。 其中 纤维素约 占木材的 , 是 葡萄糖 以 一,一昔键结合起来的链状高分子化合 物犷兵礴姑晶结构 , 对酸和碱的抵抗性较半纤维素强 。 育维素上含有可反应的经基基团 。 半纤维素约占一 , 它是非纤维素的 高案糖奖 , 、 犬都分可溶子碱 , 用水解方法可生成各种糖醛酸 。 木质素约占木材的 , 是取代的苯丙烷单元以 一 键和醚键结合起来 的高分子芳香族物质 , 大部分不溶于有机溶剂 。 木质纤维的特点 木质纤维可作为塑料的一种有机填料 , 它可 由锯末 、 碎木片 、 刨花为原料 , 经过简单的干燥粉碎得到一种纤维状结构的木质产物 , 其化学成分较为复杂 , 但 其主要是由形成木材植物骨架的主要成分即纤维素和木质素所构成 一 。 木质纤维与目前普遍采用的无机填料相比具有以下优点与高分子化合 物的相容性较好密度比一般无机填料小木粉密度为 沙 耐磨而且可以降解及回收原料资源丰富 , 生产工艺简单 , 价格便宜 所得复合材料制品具有 良好的木质感和隔热效果 。 但是 , 木质纤维也有缺点 。 首先 , 纤维素很容易降解 。 在共混过程中 , 纤维 素晶过热机械作用 , 会发生热降解 , 氧化降解 , 机械降解等 。 但对植物纤维进行 红外分析 , 在温度一 , 时间在的实验条件下 , 植物纤维红外谱 图变化不大 , 说明植物纤维在低于 具有较好的结构稳定性 。 这对于植物纤 维共混加工过程是有利的 。 热对纤维的破坏表现在热的时间累积效应 , 在持续不 高子 的长时间的作用下 , 纤维素的聚合度发生显著的降解 , 纤维降解对 纤维的强度有很大的影响 。 聚合度降低到一以前 , 纤维的断裂强度和断裂 伸长芷隆很少 , 但在以下 , 纤维的机械性能迅速下降达到以下时 , 则 不具有纤维特征 。 第二 , 共混困难 , 由于植物种类不同 , 在植物中的部位不同 , 以及生长环境 , 条件的不同 , 都可以引起组成和结构的差异 , 而且纤维素的分子量具有多分散性 , 性能不均一 。 射线研究认为 , 纤维素是由结晶区和无定型区交错联结而成的二 相体系 , 其中还有许多的空隙系统 。 一般认为天然纤维素的结晶度为左右 。 但纤维素在达到熔点之前就发生了分解 】 。 在共混过程中 , 机体树脂溶体必须能 很好地浸润纤维 , 但由于极性不同 , 两者的相容性差 , 很难形成物理或化学键的 东北 大学硕士学位论文第一章引言 结合 , 界面层很薄 , 界面张力大 。 提高界面相容性的方法 虽然木粉具有上述优点 , 但木粉作为聚烯烃的增强剂或填料只是近年来才被 认可接受 , 其原因是加工困难由于木粉是极性 , 亲水性的填料 , 而聚烯烃类 是非极性 , 亲油的 , 因此它们的相容性不好 , 而造成复合材料强度减低 , 应力下 降 一 。 在过去的十年里 , 纤维与热塑性塑料之间的界面结合力已成为众多研究 的重点 。 对于这种复合材料体系 , 已经试用过多种偶联剂和相容剂 一 , 但只能 在一定程度上改变界面效果 , 若要工业生产和应用 , 其性能还不够理想 。 下面对 前人研究中所采用的界面改性方法作以概括性介绍 硅烷偶联剂 , 具有的结构 , 为同有机物相结合的乙烯基 , 甲 基丙烯酸氧基 、 环氧基 、 氨基等为同无机物相结合的甲氧基 、 乙氧基和氯等 基团 。 它同无机物形成硅烷键 , 从而将无机物和有机物结合起来 。 用硅烷偶联剂 处理填料的方法有以下几种 干法即在混合机中将填料边搅拌 , 同时将硅烷偶联剂水溶液用干燥空气或 氮气进行喷雾处理 。 湿法将填料用水分散成泥糊状 , 在添加硅烷偶联剂水溶液 , 经搅拌后静置 使填料沉降分离干燥 。 喷涂法从炉中取出高温填料 , 直接喷洒硅烷偶联剂水溶液 , 此法工艺简单 , 不需要干燥处理 。 直接共混法即在填料添加前或添加后边搅拌直接将偶联剂添加到树脂中 , 其用 量为树脂用量的一 , 配合后要静置天进行陈化 , 前三种方法偶联剂用 量一般为一 。 钦酸醋偶联剂是一种在有机物和无机物以及在有机物间具有化学结 合作用的有机钦化物 。 钦酸酷偶联剂对无机物进行表面处理后 , 形成有机质膜 , 从而显著增大挤充能 , 并提高亲和性和加工性 , 钦酸醋偶联剂的亲有机部分通常 为 一 的长链烃基 , 它可以与聚合物链发生缠绕 , 借分子间力结合在一起 因此特别适用于热塑性塑料长链的缠绕 , 可转移应力应变 , 提高冲击强度 , 伸长 率 , 剪切强度 , 同时还可在保持抗拉强度的情况下 , 增加其填充量 。 此外 , 还可 以改变无机物区的表面能 , 使其粘度降低 , 即使是高填充 , 也可显示其较好的熔 融流动性 , 根据分子结构以及与填料表面的偶合构型 , 钦酸酷偶联剂可分为单环 氧基性 , 鳌合型 , 配位体型 。 东北 大学硕士学位论文第一章引言 钦酸醋偶联剂应尽量避免与具有表面活性的助剂并用 , 因表面活性剂会干扰 钦酸酷在界面区的偶联反应 。 另外 , 酉旨类增塑剂的加入易发生醋交换反应 , 因此 它们的加入以在填料和树脂充分混合形成偶联后为好 。 钦酸醋偶联剂的使用方法 也有直接加入法和预处理法即将偶联剂与填料在高树混料机中充分搅拌分散均 匀 。 助铝酸酸羁联剂 能在无机物表面形成有机质皮膜 , 它是继硅系 , 钦系 偶联剂之后开发出的适应范围广 , 价格低廉的偶联剂 。 它的热稳定性优于钦酸酷 偶联剂 , 并可在填料表面起化学作用 , 最终可在界面发生粘合和交联作用 。 铝酸醋偶联剂的使用先将填料在混合机中预热 并搅拌 , 敞口干 燥分钟左右 , 然后分次加入计量的铝酸酷偶联剂 , 每次间隔分钟 , 总加入 时间约为一分钟 。 配方中应加入少量的硬脂酸 , 用量为填料的 , 在改性活化处理分钟之后加入 , 再经高速搅拌分钟即可 。 浸渍处理 , 将木粉在助剂中进行浸渍处理 , 使木粉的亲水表面被覆 盖 , 变为亲油性 , 从而有利于木粉在树脂中分散 , 使产品外观也得到改善 。 常用 的加工助剂包括脂肪酸 , 其中以的硬纸酸为佳 。 脂肪酸的金属盐 。 元醇的脂肪酸盐 。 脂肪酞胺及其衍生物 。 一元脂肪醇及二元脂肪 醇 。 多元醇如山梨醇的环氧化合物的酷化物 。 它们的形态以粉状或片状最 好 , 熔点在 为好 低于 取样困难 , 高于 时 , 一般的加工温 度不易融化 。 将这些助剂用干法进行浸渍处理 。 即将热处理过的木粉与助剂放在 高速捏合机中混合 , 助剂熔化后使木粉得到浸渍 , 冷却后得到浸渍木粉 。 采用高分子包覆 一】 , 将含有一定量水分的木粉 , 用含有引发剂和聚合 促进剂的浸渍剂即一些不饱和有机化合物进行处理 。 这些浸渍剂可能与纤维 素 、 半纤维素 、 木质素发生接枝聚合 , 也可能彼此自聚 , 在木粉粒子表面形成一 层高分子包覆层 , 包覆木粉成了亲油性 , 与树脂亲合性较好 。 另外 , 为了获得相对较好的力学性能 , 加工时加入交联剂如酚醛 、 尿醛 、 聚氨酷 , 发泡剂如发泡剂 , 分别获得交联材料和发泡材料 。 上述方法所获得的制品 , 存在许多弱点 , 如偶联剂价格都比较昂贵 , 所得制品成 本高 , 浸渍处理工序复杂 , 不适合于工业生产 。 交联材料不可回收 , 而且这些产 品的最大缺点是力学性能低 。 用高分子化合物接枝改性后作界面相容剂 , 如接枝 丙烯酸 , 马来酸醉 , 丙烯酸缩水甘油酷 , 其效果优于其他界面相容剂 。 东北大学硕士学位论文第一章引言 论文选题的目的和意义 论文的目的和意义主要有以下几方面 塑木产品国产化的迫切需要 。 我国每年生产各种塑料制品万吨 , 其中 部分日用塑料和建筑塑料使用周期短 , 随之而来产生大量的废旧塑料 , 废旧度料 产生的白色垃圾已成为威胁城市生活环境的一种公害 。 这些废弃物的使用 , 不仅 符合复合材料的性能要求 , 同时产品的制造成本降低 , 而且极大地减少了垃圾量 。 塑木复合材料采用废弃物 , 不仅对保护生态环境 、 节约木材 、 节约资源有深 远的社会效益和生态效益 , 同时也为生产企业带来可观的经济效益 。 国外发达国 家塑木材料产品已经形成很大的生产能力 , 产品广泛的应用于各个方面 , 而我国 这方面的生产还没有形成规模 , 产品的应用也急待开发 。 绿色环保产品的发展趋势 。 近年来 , 生态环境建设成为人们面临的重要课 题之一 , 由于过度开采带来植被日益沙漠化 、 荒漠化 , 沙尘暴时常光顾我们 。 在 木材资源严重缺乏的同时 , 环保污染也十分严重 。 塑木复合材料充分地利用无法 降解的废旧塑料 , 使它们不断地循环利用 , 即节约了木材 , 保护了森林资源 , 又 可以有效地治理 “ 白色污染 ” 同时使用了相当比例的木质纤维 , 这些木质纤维以 废弃的木屑 、 麦皮 、 稻壳 、 植物结杆为主要来源 , 经脱湿 、 粉碎 、 研磨等处理后 投入使用 。 这种以 “ 白色污染 ”垃圾为生产原料的环保材料对保护 生态环境 、 节约 木材 、 节约资源都具有重大意义 。 近二十年来 , 不少国家己纷纷立法加强管理外 , 企业和民间管理也开展了废塑料的回收 , 再利用的研究和开发 。 因而我们以废旧 塑料为原料 , 不仅有利于环保 , 而且对资源也是有限利用 。 塑木产品的广泛应用 。 塑木复合材料与硬木相当 , 可以用来制作运输货物 托盘和其他包装制品 , 可以解决外贸出口产品的包装材料熏蒸的难题 , 该财料具 有良好的耐用性 , 不易被任何虫蛀咬 、 耐各种细菌滋生 、 卫生性好 、 不吸水 、 具 有良好的耐轻酸碱等性能 。 塑木复合材料价格低 , 废弃后还可以完全回收 , 无后 顾之忧 。 而且 , 除了用来做托盘材料外 , 该材料还可以做货架 、 枕木 、 纵梁等 , 作为木材的替代产品其应用范围也将会很广 。 因此本选题符合现实需要 。 东北大学硕士学位论文 第二章塑木复合材料的制备技术 第二章塑木复合材料的制备技术 , 实验原料与助剂 高密度聚乙烯牌号 , 齐鲁石油化工公司 木粉废弃的锯木屑 偶联剂 一, 南京曙光化工公司 马来酸配接枝高密度聚乙烯 一一 自制 硬质酸石家庄化工材料公司 聚乙烯腊石家庄化工材料公司 短切玻璃纤维规格 , 沈阳长白物质公司 发泡剂沈阳双燕化工原料供应公司 仪器设备 干燥箱承德金键测试仪器有限公司 水分测试仪上海测量仪器厂 熔融指数测试仪承德金键测试仪器有限公司 万能电子拉力机承德金键测试仪器有限公司 冲击试验机承德金键测试仪器有限公司 高速混料机 , 沈阳苏家屯塑料机械厂 双螺杆挤出机 帕 , 沈阳苏家屯塑料机械厂 样品的制备 原料的干燥 木粉的吸湿性很强 , 在加工前必须进行干燥处理 。 因为木粉含有的水分很大 , 其中含有的水分在挤出时气化 , 形成的气泡使挤出断裂 , 不连续 , 甚至气泡内压 力过大产生爆炸而伤害人员 。 木粉在烘箱中于 一 进行干燥处理 , 干燥时 间视木粉情况而定 , 衡量木粉干燥是否符合要求 , 可以用水分测试仪来测定 , 要 求水分含量小于 , 一般要烘一分钟以上 。 粘合剂所含极性基团容易吸水 , 考虑到粘合剂中的水分对挤出也会造成影响 , 所以需要将粘合剂在真空系统中干 东北大学硕士学位论文 第二章塑木复合材料的制备技术 燥 , 温度 , 时间为一个小时 。 木粉表面的预处理 由于塑料 、 木粉极易发生静电 , 尤其在摩擦剪切的作用下 , 因此易抱团结块 , 不易分散 。 在高速搅拌机中 , 用石墨或滑石粉包覆木粉可以防止静电 , 使木粉分 散均匀 。 而且石墨或滑石粉可以增加木粉的流动性 , 有助子改善材料的加工性能 。 另外用硬质酸等表面处理剂活化木粉表面 , 可以改善聚乙烯的相容性 。 另外 , 木粉中含有很多亲水性轻基 , 易吸湿 , 影响加工质量 , 因此使用前应 进行预处理 。 将木粉放入高混机中 , 升温至 , 并抽真空巧 , 充分干燥 。 再将偶联剂与去离子水搅拌均匀 , 使其水解 , 并将其加入到在高混机中干燥的木 粉中 , 升温至 , 混合均匀 , 使偶联剂水解形成的反应基团与木粉表面的极 性基团充分反应 。 复合材料样品的制备 将高密度聚乙烯 、 木粉 、一一、 润滑剂以及其他助剂按着不同配比 , 不同加料次序在高速混料机上混合 , 控制一定的混料温度以及混料时间 , 加工成 挤出待用品在双螺杆挤出机上挤制成样品 。 工艺控制条件如表所示 。 将制 成的样品在制样机上依照测试标准裁制成不同规格的测试样条 。 表 几 复合材料加工工艺条件 工艺原料温度时间 混料温度混料时间 混料木粉 尹 门卜 挤出速度 机筒机头塑化时间 挤出混合料 们 幻】 东北大学硕士学位论文第二章塑木复合材料的制备技术 复合材料样品制备的工艺流程图如图 。 刁 木粉干燥 一 门 混机混和“出制样“能测试 助剂 图复合材料样品制备的工艺流程图 印的 测试分析方法 拉伸 、 弯曲性能的测试 采用万能电子拉力机测试复合材料的拉伸和弯曲性能 。 弯曲式样厚度 , 宽度 。, 长度 , 跨度 , 压头半径拉伸式样厚度 , 宽 度 , 呈哑铃形 , 试验速度 , 每个样品侧次 , 求其平均值 。 冲击性能的测试 采用简支梁冲击试验机测定复合材料的冲击性能 。 式样 厚度 , 宽度 , 长度 , 每个样品测次 , 求其平均值 。 东北大学硕士学位论文 第三章塑木复合材料的力学性能 第三章 一 塑木 、 复合材料的力学性能 木质纤维对复合材料性能的影响 木粉粒度对材料力学性能的影响 制好的试样分别测得其弯 曲强度和冲击强度 , 如表所示 。 可见随着木粉 粒度的减小 , 弯曲强度降低显著 , 而冲击强度先有所升高 , 而后降低 。 这是 由于 大尺寸木粉可以起到一定纤维增强的作用 , 而小尺寸的木粉增加了复合材料两相 界面面积 , 有利于冲击能量的吸收粒子尺寸进一步降低 , 界面相容性成为主要 问题 , 使得冲击性能降低 。 几 表木粉粒度与复合材料性能的关系 一 粒度 目弯曲强度舰冲击强度服 一 , 木粉含量对材料力学性能的影响 表列出了木粉含量对高密度聚乙烯复合材料力学性能的影响 。 由表可见 , 随木粉含量的增加 , 材料的拉伸强度 、 弯曲强度都出现升高趋势 , 可见 , 木粉的 存在使得材料的拉伸强度和弯曲强度得到明显改善 , 但是与其他大多数增强材料 一样 , 在提高材料刚性的同时 , 也使材料的韧性出现下降的趋势 , 表现了冲击强 度的下降 , 并随木的含量的增多 , 冲击强度进一步下降 , 但趋势较平缓 。 东月匕大学硕士学位论文第三章塑木复合材料的力学性能 表木粉含量对材料力学性能的影响 一 木粉质量份数从拉伸强度舰弯曲强度加俘冲击强度幻 矿 木粉的加入使冲击强度降低的主要原因有木粉作为刚性材料对其周围 的基体产生束缚作用 , 使束缚层的刚性增加木粉作为基体中的包容物起到 应力集中的作用 , 木粉与基体粘接薄弱处 、 木粉之间彼此接触处 、 以及木纤维本 身的结构缺陷都是应力集中点 , 而木粉本身缺乏韧性 , 断裂伸长率低 , 因此材料 的脆性增加 , 脆性增加的另一面表现为冲击强度的下降 。 当木粉含量超过以 上 , 则尤其填充的高密度聚乙烯复合材料基本上变成了脆性材料 。 木粉含量与材料力学性能的关系如图 、 图所示 。 巧 目 生侧哪租韧 木粉含叭 图木粉含量与材料弯曲强度的关系 东北 大学硕士学位论文第三幸塑木复合材料的力学性能 尸 勺 补 名 哎八工口甘 ,目心 , , 华 日 旨侧 惠伯凭 木粉含量 图木粉含量与材料冲击强度的关系 一 由图 , 图可以看出随着木粉含量的增加 , 弯曲强度上升 , 冲击强度下 降 。 这同时也说明了木粉的主要成分纤维素和木质素是属于刚性大分子 , 使得材 料的刚性增加 , 韧性下降 。 试验表明 , 原材料配比对复合材料性能的影响极大 。 本着经济与容易操作的 原则 , 在相同的加工工艺条件机头 机筒 , 速度下 , 考察木粉添加量对复合材料性能的影响 。 。 自 侧橄祖韧 。 兔侧翻幸粼 吕导吕