发泡木塑复合材料的制备及性能研究开题报告-司丹鸽.doc

本 科 生 毕 业 设 计（论 文）开题报告题目： 发泡木塑复合材料的制备及性能研究 姓 名： 司丹鸽 学 号： 201005040305 指导教师： 葛正浩 班 级： 成型103班 所在院系： 机电工程学院 课题的目的、意义；国内外技术现状及发展趋势课题的目的、意义；国内外技术现状及发展趋势课题的目的、意义；国内外技术现状及发展趋势趋势课题的意义和目的：生物纤维是自然界中最丰富的天然高分子材料,它具有密度低、价格低廉、比强度高、可生物降解和再生性等优点，是人类开发应用最早的天然材料之一，但是在实际生产生活中它也同时存在着一些性能缺陷，如:较高的湿胀干缩性,易于变形,易于腐朽,易被虫蛀和易燃烧等。为了在更好的利用生物纤维带来的满足人类所需要求，不得不避免同时由它所带来的不利，因此，在人类的不断探索和不断研究中，木塑复合材料诞生了。木塑复合材料有很多优点，可以归纳为耐用、寿命长，有类似木质外观，比塑料硬度高，具有优良的物性，比木材尺寸稳定性好，不会产生裂缝、翘曲，无木材节疤、斜纹，可以加入着色剂，覆膜或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品，具有热塑性塑料的加工性，容易成型，相比木材和塑料，其性能优越两者，以耐腐蚀、不受菌害或者蚂蚁破害、易成型、稳定性好不易翘曲和变形的优点，同时具有木材外观感和自然质感。但是在生产生活实际应用中仍然存在不少的问题，例如韧性、冲击强度和弯曲强度等力学性能低于母体塑料，相对纯的天然木材来说，密度通常是木材的好几倍,应用领域受到极大限制。但经过合理的发泡后，木塑复合材料会存在良好的微孔结构，这些分散的、均匀的微孔可有效的使材料内部裂纹尖端钝化，从而有效的阻止裂纹扩张，可以显著提高材料的抗冲击性能和韧性。更重要的是，木塑微孔发泡复合材料制品的密度大大减小，而机械强度高于木材，这些良好的性能可以使其作为最佳的木材替代品，同时由于木塑复合材料成本的80%是塑料，通过发泡后的复合材料成本可以降低40%左右，从而进一步拓宽了木塑复合材料的应用领域。通过对本课题的研究，使我进一步巩固了大学期间所学的各类知识，特别是有关复合材料配方设计，工艺优化和发泡剂的使用等相关知识，同时，通过本次毕业设计可以提高我的独立思考，解决问题以及动手能力等等。国内外研究现状及水平：1. 发泡木塑复合材料研究木纤维因含有大量的极性羟基和酚羟等官能团，其表面表现出很强的化学极性，与非极性的塑料间相容性差，且易吸水分散性差。木纤维的加入对复合材料的发泡及最终制品的物理机械性能产生不同程度影响。因此，国内外的研究主要围绕改善界面相容性，以及影响复合材料发泡程度和泡孔结构的诸多因素展开。薛平等采用PP及HDPE进行了木塑的综合实验。例如，木粉种类、添加量及加工温度对溶体流动性能的影响，木粉含量、粒径对力学性能的影响，偶联剂的种类、含量对复合材料性能的影响，还研究了螺杆转速、螺杆结构、加工温度、压力对材料性能的影响。结果表明，木塑混合属于假塑性流体，其粘度要比纯塑料的表观粘度还低;合适的偶联剂可以明显提高强度，不同的塑料树脂对偶联剂有选择性；木粉粒径小于39目时，粒径对材料的拉伸强度影响不大；木粉的微观分散性是影响材料宏观强度的关键。2. 发泡方式研究对于发泡方法的研究主要集中在物理发泡和化学发泡上，S. Doroudiani、Matuana等人利用高压CO2进行了板材的物理发泡研究，但由于物理发泡对设备和操作工艺要求较高，使得发泡方法的研究更集中于操作工艺简便的化学发泡方法上，F.Mengeloglu使用放热型发泡剂AC 和吸热型发泡剂NaHCO3挤出发泡PVC/木粉，发现放热型发泡剂得到的泡孔尺寸较小。卜宪华分别用AC、NaHCO3、OBSH、AC/NaHCO3复合发泡剂制得发泡PVC/木粉复合材料，发现AC/NaHCO3复合发泡剂发泡性能最优。L. M.Matuana等还研究了用木纤维中的水分作发泡剂来发泡硬质PVC/木塑复合材料，发现使用适量的丙烯酸发泡改性剂和调整挤出机头温度，可以完全使用木粉中的水分作发泡剂发泡PVC/木塑复合材料。进一步研究表明对于5%10%(质量分数)的MAPP，最低浓度的MAPP就可以对WPC吸水性产生很好的效果；添加过量的MAPP反而增大了吸水量，因为MAPP比PP更具极性，木纤维含量低的复合材料会很快达到平衡吸水量。Andrzej等研究了生物质纤维/聚氨酯复合材料发泡，建立了微孔含量与密度之间的关系，纤维的种类、微孔含量与复合材料力学性能之间的关系，得出随着微孔含量增加，复合材料的剪切模量和冲击强度增加。3. 发泡木塑复合材料成型方式研究木塑复合材料的改性上多数以注塑成型和压塑成型的方法来制取，而对于挤出成型的方法研究较少，所以用生物质纤维、塑料为主要填料，进行发泡挤出成型研究，为工业木塑复合材料挤出奠定化工基础。蔡培鑫，吕群，等以聚丙烯为塑料基体，以木粉为填料，加入添加剂，利用双螺杆挤出机成型制备PP基木塑复合材料，研究了以此工艺下增韧剂、相容剂、偶联剂和颜料对材料力学性能的影响；吴远楠，武军，等研究了木塑发泡材料的组成与性能、结构之间的关系，通过加入增容剂探讨了增溶剂种类和含量对材料力学性能的影响，初步地研究了挤出过程中的工艺参数螺杆转速、挤出温度对材料发泡性能的影响，初步得到了当螺杆转速控制在12rpm左右时，即可保证一定的反应时间，又可避免物料过分降解；挤出口模的温度宜控制在HDPE熔点附近，因为这样可使熔体强度因温度骤降而急剧上升，从而实现较好的发泡状态；在口模出口处，对挤出发泡物进行强制冷却，可改善泡体表面质量、泡孔结构和泡体机械性能。刘申，王青文，等研究了偶氮二甲酰胺作为发泡剂，木粉和聚苯乙烯树脂为主要原料,通过自由发泡挤出成型法制备聚苯乙烯基发泡木塑复合材料，研究了木粉粒径和成核剂对泡孔形态，泡孔分布，力学性能和表观密度的影响;偶联剂对复合材料界面相容性的改善;模口的温度和熔体粘度的关系;弹性体SBS对复合材料缺口冲击强度的影响;聚乙烯含量对聚乙烯-聚苯乙烯基发泡木塑复合材料力学性能的影响。目前发泡木塑复合材料主要以生物质纤维/PVC挤出成型和生物质纤维/再结晶型塑料热压成型，利用热压成型过程中对生物质纤维复合板材进行微观发泡。再以塑料为主要特征的复合成型工艺研究中，有关以PP、PE等结晶型塑料为原料，采用挤出和注塑成型工艺的木塑微孔复合材料的研究成果少见报道，有必要对该领域进行系统研究。4. 发泡木塑复合材料性能研究刘申，王青文，等研究了偶氮二甲酰胺作为发泡剂，木粉和聚苯乙烯树脂为主要原料,通过自由发泡挤出成型法制备聚苯乙烯基发泡木塑复合材料，研究了木粉粒径和成核剂对泡孔形态，泡孔分布，力学性能和表观密度的影响;偶联剂对复合材料界面相容性的改善;模口的温度和熔体粘度的关系;弹性体SBS对复合材料缺口冲击强度的影响;聚乙烯含量对聚乙烯-聚苯乙烯基发泡木塑复合材料力学性能的影响。K.BledzkiAndrzej等以PP树脂为基体，并添加化学发泡剂，采用注塑工艺制得木塑复合材料，考察了不同木粉含量下材料的密度、泡孔直径、孔隙率、拉伸强度及弯曲强度。结果表明，发泡后材料的密度较发泡前下降了24；当加入5偶联剂马来酸酐接枝PP后，泡孔形态及发泡性能都有改善。课题的方案及研究思路实验内容：1. 熟悉木塑复合材料制备整个过程以及各种设备使用方法，并了解各种发泡剂的优缺点，设计合理添加比例，制定合理的试验方案，要求密度低，有弹性，韧性高，冲击强度高，适于机械加工；2. 以热压成型方法，通过控制成型工艺条件和组分含量来研究发泡木塑复合材料，通过对实验材料样条进行密度及力学性能的测试，分析数据得出相应工艺及发泡最佳配方；3. 材料进行拉伸强度、弯曲强度及冲击韧性的测试，对比、分析经过发泡木塑复合材料和未发泡木塑复合材料性能的变化，并通过数据分析微孔结构对木塑复合材料性能的影响。发泡木塑复合材料制备的方案及性能研究思路：根据现有的化学发泡法相关理论知识对塑料PE进行发泡，先将用偶联剂处理过的秸秆粉与发泡剂及助剂混合，再将其与塑料PE在高速混炼机中混炼，合理设置时间及温度使其混炼均匀。1. 发泡木塑试件制备方案： 将一定量的生物质纤维（秸秆粉）、偶联剂和化学助剂加入高速混炼机，对秸秆粉进行处理。 称取一定量的HDPE（高密度聚乙烯）、AC发泡剂（偶氮二甲酰胺）、偶联剂和纳米碳酸钙等原料以及处理过的秸秆粉，以合适的配比、次序进行混炼，设定每次混炼时间15min、温度80。 将混炼好的物料添加到热压模具中，在一定温度、压力、时间下模压成型，通过控制成型工艺、组分含量来研究材料发泡。 将成型出的制样进行切削，以方便后面密度测试和力学性能测试。2. 发泡对材料性能研究思路： 通过测试材料的密度，研究材料发泡效果； 测量力学性能，分析研究配方及工艺对材料性能影响。 分析试件测试数据，如密度、力学性能及SEM等，分析发泡木塑复合材料性能的变化。（添加发泡剂和未加的性能对比） 通过密度、SEM测试，分析发泡微孔数量及表观特征对材料性能影响。课题的方案及研究思路课题的主要任务；研究和设计中可能遇到的问题以及解决的方法和措施前期的文献资料收集、调研、实习及设计条件准备情况3. 发泡木塑复合材料制备工艺：方案一： 秸秆粉PE塑料偶联剂热压成型混炼挤出造粒AC发泡剂助剂性能测试数据分析 结论方案二：秸秆粉挤出造粒混炼PE塑料偶联剂其它热压成型数据分析性能测试 结论PP塑料AC发泡剂混炼挤出造粒NaCaCO3偶联剂其它课题的主要任务：1 熟悉秸秆粉塑料复合材料的成型工艺流程和加工装备。2 熟悉各种发泡剂的优缺点，设计合理比例，同时结合成型工艺设计实验方案；3 设计合理的试验，进行相同工艺及配方实验材料性能对比，4 设计相应的性能测试方案。5 结合实验材料配方及成型工艺对材料性能的试验数据，进行分析，得出相应结论；6 初步探索微孔表观特征对材料性能的影响，通过相关软件得出材料表观特征数据并结合材料性能进行分析。研究和设计中可能遇到的问题及解决办法：木塑复合发泡材料的材料就是发泡,以发泡为核心,以此来提高材料的性能,主要表现在密度降低和力学性能提高,所以如何控制各个材料加入比分,控制发泡时各个环节的因素是关键。1 由于木粉中本身含有水分，干燥过程中不可能让秸秆粉完全干燥，也很难保证每次实验时秸秆粉的干燥程度相同。故木粉中水分含量的不同对实验结果的影响比较大。2 发泡剂含量及在成型工艺流程中次序对材料发泡效果及性能的影响。3 总结不同的配比和成型工艺参数都对材料的性能有着显著的影响。采用单因素控制法，逐个分析各因素的影响。4 混合均匀。在成型过程中，经过混炼机后的料任然存在混料不均，为此先进入双螺杆挤出机进行造粒，然后成型，此时挤出机温度不宜太高。5 热压成型中，初始压力、初始温度确定；此条件经过文献阅读和组分的性质得到一个初始范围，然后经过实验现象和结果进行调整。6 试验样条的制备（形状，主要是为密度计算和力学性能测试）。在有相应的样条模具下，最后进行数据计算；没有时，通过切削样条，制备出符合实验尺寸及形状的样条。7 数据分析，如何获取材料的微孔数量；通过SEM图片，经过相应尺寸放大可以观察到微孔结构，阅读文献根据类似方方计算微孔数量。上述可能遇到问题，可以通过与导师和研究生们探讨，或者查阅相关献来解决，使得试验能过顺利的进行并达到预期效果。前期的文献资料收集： 木塑复合材料与制品试样设计方法试样设计与分析塑冲设备塑料成型工艺学注塑机的操作与维修同时了解了注塑机，挤出机和相关成型设备和设备的使用说明书。竹粉，木粉，塑料和各种助剂的性能参数。准备情况： 本次毕业设计是对发泡木塑复合材料制备及性能进行研究，为了对发泡木塑复合材料进行全面的了解，我搜集并阅读了许多相关方面的文献（如：秸秆粉/PP微孔发泡复合材料的发泡工艺研究-葛正浩；偶联剂对 HDPE 基竹塑复合材料力学性能的影响-陈伟博，葛正浩；竹粉含量对竹塑复合材料性能的影响-葛正浩， 陈伟博；注塑发泡木塑复合材料微孔结构及增韧改性-谢博，崔益华）等等。通过对这些文献和相关书籍的阅读，使我认识了国内外在发泡木塑复合材料这个领域的研究现状和发展趋势，让我初步了解了目前制备发泡木塑复合材料的方法及对其进行哪些方面性能研究。在发泡木塑复合材料制备实验的前期，我做了几次模拟实验，熟悉了各种机械设备（高速混炼机、挤出机、注塑机等）的使用方法及操作过程应注意的问题，认识了实验中所用到的各种材料（HDPE、AC发泡剂、木粉、马来酸酐、PE蜡、EVA、超微细滑石粉、氧化锌、纳米碳酸钙、扩散粉）并掌握了各材料的添加比例及顺序。总之，为了能够使本次实验顺利进行，在导师的指导下，我进行了充分的前期准备，相信功夫不负有心人，实验一定能够达到预期效果。毕业设计主要工作的进度安排毕业设计主要工作的进度安排1-2周 熟悉工艺流程和成型设备的使用；3-5周 试验设计及工艺预定；6-9周 制备发泡木塑复合材料；10-12周 性能测试及数据分析；13-14周 撰写毕业论文；15周 收集资料，准备答辩；毕业设计每周指导时间、地点安排及毕业设计纪律要求指导时间：星期四：19:0022:00星期天：19:0022:00地 点：2B-116纪 律：1. 每周按时或尽量提前完成自己的实验任务，如有事应提前请假，不能因为个人原因而延误了原本的课题计划。2. 在做毕业设计的具体过程中，应该注