植物纤维填充体系拉伸流变连续塑化模压成型机理及结构性能研究

发布时间：2020-06-11 20:35

【摘要】：植物纤维复合材料是一种绿色环保材料,传统基于剪切流变的螺杆加工设备,对植物纤维混合分散效果不佳,在强剪切力作用下,植物纤维容易发生断裂和热降解,降低复合材料的性能;另外,植物纤维复合材料的熔体流动性往往比较差,传统的注塑成型加工难度比较大,而对物料流动性要求较低的模压成型工艺则有自动化程度低,制品尺寸不稳定的缺点,这些都大大限制了该材料的应用范围。本文首次提出植物纤维填充体系拉伸流变连续塑化模压成型方法,并研制了偏心转子连续塑化模压成型设备。物料在塑化输运过程中,在定子容腔发生由大到小再由小到大的周期性变化,从而使得物料在偏心转子挤出机中经历周期性的“压缩-释放”过程,完成植物纤维复合材料体积拉伸形变作用下的塑化熔融输运。根据模压成型过程建立料坯模压成型充模过程和保压冷却过程的数学模型,推导料坯在模压成型过程中的流场分布和保压过程中的温度变化趋势,为后期的模压成型提供了理论基础。通过偏心转子挤出机制备的聚乳酸(PLA)/竹纤维(BF)复合材料与传统双螺杆挤出机制备相对比,根据微观形貌观察,竹纤维在拉伸流场中能够均匀分散,大大提高了材料的力学性能;拉伸流场能够有效的提高复合材料的结晶性能,在2θ=16.5°和19.0°出现两个尖锐的结晶峰,分别对应(110)(200)(203)α晶面的衍射峰,另外,纯PLA和PLA/BF复合材料均在2θ=31.0°出现一个明显的(023)β晶面的衍射峰,促进β晶的形成;通过对复合材料热稳定性分析,可以看到随着竹纤维含量增加,在剪切流场中,复合材料T_(5%),T_(50%)和T_(max)下降幅度远远高于拉伸流场,复合材料的吸水性是竹纤维含量和加工流场共同决定的。在拉伸流场中,竹纤维排列紧密,PLA对竹纤维形成保护,阻碍水分子的进入。采用偏心转子挤出机制备不同纤维形态下的植物纤维填充复合材料,并分析讨论植物纤维含量、加工转速等在拉伸流场制备复合材料的响应。不同形态植物纤维在拉伸流场中具有不同的分散效果,桉木粉和木质纤维素的最优添加量为30wt%,木质纤维素在聚丙烯基体内均匀分散,复合材料的力学性能最佳,刨花纤维的最优含量为20wt%;不同种类植物纤维在偏心转子挤出机内的停留时间和产量变化相差不大;偏心转速挤出机不同的转速所产生的拉伸流场对不同形态的植物纤维在聚丙烯基体内的分散效果不同,偏心转子挤出机的转速为80rpm时,桉木粉在聚丙烯基体内取得最优的分散效果,复合材料的力学性能最优,木质纤维素对转速要求较低,当转速为40rpm、80rpm、120rpm时,均能良好的分散在基体中,且复合材料的性能相差不大,刨花纤维在偏心转子挤出机的转速为80rpm时,刨花纤维分散性良好,聚丙烯/刨花纤维复合材料的性能最优。不同植物纤维种类的复合材料的热性能相差不大,说明物料在偏心转子挤出产生的拉伸流场中的塑化输运过程是一个相对稳定的过程,没有因转速的提高而产生大的波动;复合材料的停留时间和产量随加工转速的变化几乎呈线性关系,充分体现了偏心转子正位移输送的塑化输运机理。通过对模压成型制品出模后表面的温度分布的研究,分析模压成型过程中,模压时间、模具温度以及不同料坯布置对成型制品翘曲度的影响,通过研究可以得出:随着模压时间的延长,模具对制品的冷却越充分,模具表面的温度越低,且温度分布更加均匀,制品的翘曲变形逐步减小。采用多料坯模压成型的方式,可以在一定程度上提高制品出模后温度分布的均匀性,提高制品尺寸的稳定性。偏心转子连续塑化模压成型设备的研制改变了传统模压成型方式自动化程度低,制品尺寸稳定性差的局面,成功实现了植物纤维复合材料的拉伸形变连续塑化模压成型方法,制备了具有良好分散效果和尺寸稳定性高的植物纤维复合材料制品,推动了环保包装材料的推广和应用,具有重大的经济价值和现实意义。
【图文】：

复合材料应用,植物纤维

图 1-1 植物纤维复合材料应用Fig.1-1 The application of Plant fiber filling composites1.2 植物纤维填充聚合物的概况植物纤维在自然界中的存在十分普遍，其主要的成分主要包括纤维素、半纤维素、和木质素等构成[8-10]。纤维素在整个植物纤维细胞结构中一般占的比例最多，其含量往往占据一半以上，也有像棉花这类植物纤维，纤维素基本构成了整个细胞的全部[11-13]。纤维素的性质主要是由其分子上醇羟基的位置决定的，可以发现磺氧化、酯化等一系列的反应，也可以分子间形成氢键，产生吸水溶现象[11,14-16]。半纤维素的含量相比纤维素含量会少一些，主要是由不同种类的单糖构成的异性多聚体，半纤维素属于亲水性的物质，容易使植物纤维的细胞发生润胀，增加了植物纤维的弹性[17-19]。木质素在自然界中的存在量仅次于纤维素[20-21]，是植物纤维细胞内部的支架，能够很好的将细胞中不同的成分连接到一起，增强纤维的性能。果胶主要存在于一些高等的植物中，其同样在细胞中起到黏结作用，，增强纤维，提高纤维的抗压性能[22]。抽提物的成分复杂，各组分的含

速度分布,拉伸流动,剪切流动,速度分布

图 1-2 拉伸流动和剪切流动的速度分布[90]Fig.1-2 The velocity distribution of elongation flow and shear flow分子材料塑化加工过程中，物料在输送过程中都必将受到所处流场力的作在流场中的流动方式不同，可以分为剪切流场和拉伸流场。传统的加工方为主，如图 1-3（a）和 1-3（b）。根据物料在输送过程中不同的边界条件切流场分为拖曳诱导剪切流场和压力诱导剪切流场。其中，拖曳剪切流场运动而使物料发生流动的力场，熔体在输运过程中的流动方式类似于转动表面摩擦剪切而产生的流动，片材的压延成型就是典型的拖曳剪切流动。流场则是在边界固定的情况下由外力作用施加到聚合物熔体表面，推动物成的流场。聚合物加工成型中的挤塑成型和注塑成型多以这种流场为主。料的塑化输运方向与速度梯度方向一致，如图 1-3（c）。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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