长竹纤维束提取及其增强聚丙烯复合材料制备

发布时间：2020-08-06 16:52

【摘要】：以天然纤维替代合成纤维作增强材料应用于复合材料制备具有良好的经济和生态价值。本论文以毛竹为原料系统研究了长竹纤维束提取及其增强聚丙烯复合材料制备,构建了提取过程分丝方法、软化工艺与长竹纤维束性能的相关关系,得出了长竹纤维束提取优化工艺,并对长竹纤维束结构和性能表征分析。以缝合方式将长竹纤维束制成毡,采用薄膜层叠法制备出长竹纤维束增强聚丙烯单向复合材料,探讨了采用可降解性玉米醇溶蛋白对复合材料的改性应用及改性机理。本文研究成果对促进竹材的多形式应用及探索竹材在复合材料中应用的多种可能性具有积极促进意义。主要研究结果如下:通过联合梳理以及多级梳理的分丝方法提取了长竹纤维束,研究了分丝方法对长竹纤维束性能的影响。得出:通过梳理分丝可提取得具有竹节等长的长竹纤维束;联合梳理促进了纤维束的分离,有利于提高长竹纤维束细度和力学强度,辊压联合梳理提取的长竹纤维束细度、力学强度均优于平压联合梳理;采用二次梳理的多级梳理分丝方法进一步去除了纤维束表面杂质,提高了长竹纤维束表面光洁度和细度均匀性。以低浓度碱煮软化提取长竹纤维束,研究了长竹纤维束性能受软化工艺影响的变化规律。结果表明:长竹纤维束胶质质量分数、线密度和力学强度受软化因子NaOH浓度、温度和时间影响较大,尤其胶质质量分数受软化工艺影响最显著,NaOH浓度、温度和时间三因子对竹纤维束胶质去除率效应排序是:NaOH浓度温度时间,但因子间交互作用影响不呈显著性。NaOH浓度在≤10%条件下,软化因子对长竹纤维束拉伸强度影响无明显规律性,竹纤维束拉伸强度未表现出随软化程度增加而降低趋势。以胶质去除率为指标,长竹纤维束提取的优化软化工艺为:NaOH浓度7.25%,温度110℃,时间2.5h。此条件下,长竹纤维束实际胶质去除率为85.46%。以提取过程有、无超声处理以及不同竹龄(0.2~4年)竹纤维束为研究对象,对长竹纤维束性能特征表征分析。研究得出:长竹纤维束的化学组成与竹材基本相同,纤维素含量高于竹材;晶体类型与竹材一致,为天然纤维素Ⅰ型;结晶度和热稳定性均高于竹材;微观形貌上竹纤维束中的单纤维形态完全显露、表面粗糙,单纤维间有明显间隙。长竹纤维束力学性能离散性大,这主要是由于纤维结构差异、提取方法及测试方法等因素引起;长竹纤维束平均拉伸强度可达504MPa,平均拉伸模量可达27.28GPa,平均断裂伸长率为可达2.28%。长竹纤维束力学性能具有威布尔分布特征。超声处理可增加单纤维间的分散性,提高长竹纤维束拉伸性能,但对长竹纤维束化学结构和热稳定性影响不明显。不同竹龄长竹纤维束化学结构、结晶性能、热稳定性和力学性能均有一定差异性,3年竹龄竹纤维束综合性能表现较优。将长竹纤维束缝合制成毡,以长竹纤维毡为增强体,采用薄膜层叠浸渍法制备了长竹纤维束增强聚丙烯单向复合材料,初步研究了长竹纤维束/PP复合材料性能。结果得到:缝合技术可大大提高长竹纤维束在薄膜层叠结构中的铺设性和单向取向度,30mm间距缝合对复合材料力学性能改善最佳。热压压力5 MPa、热压温度190℃条件下复合材料热压效果较理想。纤维体积含量为40%时,复合材料力学性能较优,拉伸强度和拉伸模量分别为181.83MPa和11.38GPa。合理配置长竹纤维束提取方法有利于提高复合材料力学性能。采用碱处理、碱硅烷处理及可降解性玉米醇溶蛋白处理对长竹纤维束表面改性,研究了复合材料界面及性能。结果表明:以玉米醇溶蛋白改性处理长竹纤维束,改性处理后复合材料拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量均有所提高,但拉伸强度下降;复合材料的结晶温度和熔融温度不受改性处理影响。玉米醇溶蛋白改性处理对复合材料力学性能的改善效果略高于碱处理,但低于碱硅烷协同处理。玉米醇溶蛋白改性后复合材料储存模量、损耗模量降低,这可能是由于玉米醇溶蛋白改性增加了竹纤维束的塑性。玉米醇溶蛋白与长竹纤维束发生了化学反应,使竹纤维束结晶度降低、热稳定性提高,并在竹纤维束表面形成一层薄型覆膜,促进了纤维与基体间界面粘合性。
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ327;TB332
【图文】：

天然纤维,微纤丝,微纤丝角,细胞壁

[ 10]。纤维素、半纤维素、木质素在细胞壁内呈复合结构，由于组成不同，细胞壁在结构上分出不同层次（如图1-1）。纤维素在细胞壁内以纤丝状存在，纤丝又由许多直径约10-30 nm的微纤丝组成，木质素和半纤维素填充在微纤丝的空隙中。细胞壁内微纤丝排列与轴向呈一定倾角，被称为微纤丝角[ 11]。微纤丝角对纤维刚性有影响，微纤丝角越大，微纤丝排列与纤维轴向越趋向平行，则纤维刚性越强，脆性越大，同时拉伸强度更高[ 9]。图1-1 天然纤维细胞壁结构图Fig. 1-1 Structure of natural fiber ’s cell wall与传统增强纤维相比，天然纤维作增强材料应用具有几个方面的优点：（1）绿色环保，天然纤维具可自然降解性，对人体无毒害；（2）成本低

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1.3 竹纤维束提取国内外研究进展竹单纤维较短，长度仅约2 mm，在竹材结构中通过横向和纵向胶质粘结形成束状，以纤维束形式存在（如图1-2）。竹材纤维束可通过机械、物理、化学或其它方法从竹材中提取得出。目前关于竹材纤维束的名称没有统一定义，程隆棣根据麻纤维的广义定义将从竹秆中经由脱胶工艺提取的可用于纱线加工的纤维，称为竹麻纤维[ 35]。唐人成区别于竹浆粘胶纤维称竹材中提取出的束状纤维为天然竹纤维[ 36]，另有“竹原纤维”、“长竹纤维”、“工艺竹纤维”等称法。本文根据材料形态将竹材纤维束称为“竹纤维束”。图1-2 竹纤维束示意图Fig.1-2 Schematic diagram of fiber bundle in bamboo竹纤维束提取是指利用物理、化学或生物等手段将竹材中束状纤维分离出来，提取出的竹纤维束可应用于复合材料制备、纺织、造纸等。我国是最早进行竹纤维束提取的国家，在古代就有以嫩毛竹浸水沤制后剥离竹丝用于制浆造纸[ 37]。现代竹纤维束提取技术始于上世纪 80 年代末，日本 ToyoPress 公司于 1988 年研发出一套竹纤维束机械分离系统，制得竹纤维束用以替代玻璃纤维制备整形材料[38]。我国竹纤维束提取研究发展略晚

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【参考文献】