木质高分子复合材料的改性设计及性能评价

发布时间：2017-05-18 08:09

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【摘要】：这篇文章主要对新型木质高分子复合材料进行改性并其性能进行评价。本文重点研究了木塑复合材料(WPCs)的耐久性,包括光老化性能和吸水动力学,讨论了紫外光稳定剂和紫外光稳定剂/硼酸锌复配材料对木质高分子复合材料耐久性能的影响。并制备了两种无机材料/纳米纤维素复合材料,包括纳米蒙脱土/纳米纤维素复合材料以及纳米二氧化硅/纳米纤维素复合材料,并系统研究了这两种复合材料的物理力学性能,阻燃性能和吸湿性能等。对纳米复合材料应用于木塑复合材料,提升木塑复合材料的热稳定性能具有一定的指导意义。本研究得到的结论归纳如下:(1)木塑复合材料的部分性能受到紫外光稳定剂的影响。加入紫外光稳定剂后木塑复合材料的表面润湿度增加。在所有的含有紫外光稳定剂的WPCs中,含有紫外吸收剂(UVA)的WPCs的接触角值最大。紫外光稳定剂对材料的力学性能影响甚微,加入紫外光稳定剂后的木塑复合材料的弯曲强度和模量值与参照样值相似。所有的配方木塑复合材料在老化气候箱中放置一段时间后都发生了褪色,表面润湿度增加,弯曲强度和模量下降等现象。但是紫外光稳定剂对这一现象均有一定的缓解作用。对比两种受阻胺剂(HALS),UVA和硼酸锌的效果,发现在所有的紫外光稳定剂中,UVA在减少木塑复合材料褪色方面,抗表面降解以及在保护材料的力学性能方面效果明显,特别是在老化时间为2000h效果最为明显。木塑材料的含水率随着浸水时间的增长而增加,在最初的700h内,材料的含水率是直线上升的,随着浸水时间的增加,材料吸水缓慢趋于平衡,最终含水率在16.3%左右。当将饱和含水率的木塑复合材料放置于室内环境下,材料会发生解吸的现象,在解吸的最初阶段,解吸曲线十分陡峭,说明木塑材料的含水率下降迅速,随着时间的增长,材料的解吸缓慢最终趋于平衡,材料终含水率在1.6%左右。通过菲克定律进行计算得知,材料的解吸扩散系数要远远的大于材料的吸水扩散系数。与前期的研究的饱和含水率以及扩散系数结果相比,加入紫外光稳定剂木塑复合材料的吸水解吸系数没有太大的变化,说明紫外光稳定剂对材料的吸湿性能没有影响。(2)对加入紫外光稳定剂/硼酸锌复配添加剂后木塑复合材料的耐久性能包括老化性能和吸水性能进行研究,发现所有的放置于气候老化箱中的木塑复合材料在紫外光和水分喷射的环境中,材料的表观性能和力学性能都会下降。加入紫外吸收剂/硼酸锌复配添加剂的木塑复合材料表面碳酰基在老化过程中并没有明显的增加,材料的力学强度和表观性能也优于仅加入硼酸锌的木塑复合材料。但受阻胺剂和硼酸锌紫外光稳定剂/硼酸锌复配添加剂的保护作用比硼酸锌的保护作用要弱,木塑复合材料老化后的力学性能和产品的表观质量相对要差。紫外光稳定剂/硼酸锌复配添加剂木塑复合材料的吸水性能,吸水扩散系数和解吸后最终含水率与参照样值相似,但材料的解吸时的水分扩散系数随着HALS和UVA的加入而降低。(3)在纳米纤维素中加入10、20、35、50%的纳米蒙脱土制成纳米复合材料。研究表明纳米材料为层状结构,多孔结构的复合材料,其阻燃性能与表面润湿度与材料内部的纳米蒙脱土含量有关。随着纳米蒙脱土含量的增多,材料的阻燃性能提高,当纳米蒙脱土含量为10%时,复合纳米材料就成为了不燃材料,当纳米蒙脱土含量为20%,材料的氧指数为纳米纤维素材料的两倍即44.5,当火源移开后,纳米复合材料会出现自然熄灭的现象。纳米复合材料的表面接触角变化值也与材料内部纳米蒙脱土的含量有关,纳米纤维素材料的接触角为57°,当纳米蒙脱土土含量增加到50%的时候,纳米复合材料薄膜的接触角提高至83°,且接触角的变化率为1%。在所有的观测性能中,力学性能的表现则与材料内部所含有纤维素有关,纤维素有效的提高了材料的拉伸性能,随着纤维素含量的增加,材料的拉伸强度与模量也随之提高。纳米复合材料的热解行为与纳米蒙脱土的含量有关。纳米复合材料的初始降解温度低于纳米纤维素薄膜的初始降解温度,随着纳米蒙脱土含量的增多,材料的热解后的剩余物的质量不断的提升,纳米纤维素薄膜的剩余质量为26%,而纳米复合材料的剩余物质量为30%到65%之间。纳米复合材料主要有两个降解峰,随着纳米蒙脱土含量的提高,纳米复合材料第一个降解峰在往低温度不断的转移,并且第一个降解峰变得明显,并且峰的高度不断增强。当纳米蒙脱土的含量为50%的时候,第一个降解峰和第二个降解峰有所重合,形成了一个肩峰。第一个热解峰是在180°C和250°C之间,这个热解峰为纳米蒙脱土内部的水分蒸发的热解峰。第二个热解峰在250°C和350°C之间,这个热解峰为复合材料的主要热解峰,即纳米纤维素的热解峰。使用Kissinger模型计算得出的活化能为从150到240,使用F=W=O和Modified Coats-Redfern两种模型计算出的活化能值相似,范围从180到290。后两种模型计算值要高于使用Kissinger计算出的活化能,但是活化能变化趋势是一致的,随着纳米蒙脱土含量的增高,材料的热解活化能提高。(4)制备纳米二氧化硅/纳米二氧化硅复合材料。通过观察发现复合材料的阻燃性能随着纳米二氧化硅的含量的增多稍微有所提高。对材料的热解参数及活化能分析结果表明,随着纳米二氧化硅含量的增多,材料的活化能值增加,其热解剩余物质量也有所增加。纳米纤维素复合材料的氧指数值为21.8,属于易燃材料。当纳米二氧化硅的含量增加到20%时,纳米复合材料的氧指数增长为24.2,属于可燃材料。而材料的物理力学性能却随着纳米二氧化硅添加量的增多而下降,纳米纤维素材料的测量密度为1305kg/m3,当纳米二氧化硅的含量为20%时,纳米复合材料的密度为1132.93 kg/m3。纳米纤维素材料的拉伸强度和模量分为为120.98MPa和6.41GPa,当纳米二氧化硅的添加量增加到20%时,复合纳米材料的拉伸强度仅为原始材料的1/3即43.99MPa。纳米纤维素材料在24h后的最终饱和含水率为18%,随着纳米二氧化硅添加量的增多,材料的最终含水率不断提高,当纳米二氧化硅含量为20%时,纳米复合材料的最终含水率约26%。纳米纤维素材料的表面润湿度也随着纳米二氧化硅含量的增多而增大,纳米材料接触角的值为55.9°,纳米二氧化硅的含量为50%,纳米复合材料的表面接触角值仅为纳米纤维素值的1/2即为27°。
【关键词】：木塑复合材料 耐久性 纳米纤维素 纳米纤维素-纳米无机材料复合材料
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第一章 绪论15-30
• 1.1 木塑复合材料耐久性国内外研究的发展概述15-20
• 1.1.1 木塑气候老化16-19
• （1）太阳辐射对WPCs性能的影响16-19
• （2）水汽对WPCs性能的影响19
• 1.1.2 生物降解对WPCs性能的影响19-20
• 1.2 纳米纤维素复合材料的发展概述20-23
• 1.2.1 纳米纤维素薄膜的发展概述21-22
• 1.2.2 无机纳米材料22
• 1.2.3 纳米纤维素复合材料的发展概述22-23
• 1.3 研究目的及创新点23
• 1.4 研究思路与文章结构23-26
• 参考文献26-30
• 第二章 光稳定剂对木塑复合材料抗紫外光老化性能影响的研究30-40
• 2.1 引言30
• 2.2 材料与方法30-33
• 2.2.1 材料30-32
• 2.2.2 试样制备32
• 2.2.3 紫外老化实验和颜色测量32
• 2.2.4 表面润湿度32
• 2.2.5 弯曲性能测试32
• 2.2.6 扫描电镜和表面形貌照片32-33
• 2.3 结果和讨论33-37
• 2.3.1 表观性能33-36
• （1）表面颜色33-34
• （2）表面微观结构34-36
• 2.3.2 表面润湿性36-37
• 2.3.3 弯曲强度37
• 2.4 结论37-39
• 参考文献39-40
• 第三章 光稳定剂对木塑复合材料吸水性能影响的研究40-51
• 3.1 引言40
• 3.2 材料与方法40-43
• 3.2.1 材料40-41
• 3.2.2 试样制备41-42
• 3.2.3 吸水和解吸实验42
• 3.2.4 木塑复合材料形貌分析42
• 3.2.5 数据分析42-43
• 3.3 结果和分析43-48
• 3.3.1 WPCs的典型吸湿性能43-44
• 3.3.2 WPCs微观结构44
• 3.3.3 吸湿动力学44-46
• 3.3.4 WPCs的最终含水率和扩散系数46-47
• 3.3.5 与前期研究结果的对比分析47-48
• 3.4 结论48-49
• 参考文献49-51
• 第四章 光稳定剂和硼酸锌复配对木塑复合材料耐久性影响的研究51-70
• 4.1 前言51-52
• 4.2 材料与方法52-55
• 4.2.1 材料52-53
• 4.2.2 试样制备53
• 4.2.3 紫外老化实验和表面色彩测试53-54
• 4.2.4 扫描电镜54
• 4.2.5 表面润湿性能54
• 4.2.6 表面基团测试54
• 4.2.7 弯曲性能测试54
• 4.2.8 吸水动力学54-55
• 4.3 结果和分析55-65
• 4.3.1 表面颜色55-57
• 4.3.2 表面微观结构57-58
• 4.3.3 表面润湿性58-59
• 4.3.4 表面化学基团59-60
• 4.3.5 弯曲强度60-61
• 4.3.6 木塑复合材料吸水和解吸性能61-65
• （1）木塑复合材料吸水性能61-63
• （2）扩散系数63
• （3）木塑复合材料解吸性能63-65
• 4.4 结论65-67
• 参考文献67-70
• 第五章 纳米蒙脱土/纳米纤维素复合材料的制备及性能分析70-82
• 5.1 引言70-71
• 5.2 材料和方法71-72
• 5.2.1 原材料以及纳米材料的制备71
• 5.2.2 方法71-72
• 5.3 结果和讨论72-79
• 5.3.1 纳米复合材料的微观结构72-73
• 5.3.2 纳米复合材料表面基团分析73-74
• 5.3.3 X射线衍射分析74-75
• 5.3.4 材料的阻燃性能75-76
• 5.3.5 纳米复合材料的表面润湿度76-78
• 5.3.6 拉伸强度78-79
• 5.4 结论79-80
• 参考文献80-82
• 第六章 纳米钠离子蒙脱土/纳米纤维素的复合材料的热性能分析82-94
• 6.1 引言82
• 6.2 材料和方法82-84
• 6.2.1 原材料以及纳米薄膜的制备82-83
• 6.2.2 方法83
• 6.2.3 数据分析83-84
• 6.3 结果和讨论84-90
• 6.3.1 纳米复合材料的的热解过程84-85
• 6.3.2 不同升温速率下纳米复合材的降解曲线85-87
• 6.3.3 纳米复合材料的热降解参数87-89
• 6.3.4 活化能89-90
• 6.4 结论90-92
• 参考文献92-94
• 第七章 纳米二氧化硅/纳米纤维素复合材料制备及性能分析94-109
• 7.1 引言94-95
• 7.2 材料和方法95-97
• 7.2.1 样品制备95
• 7.2.2 制备方法95
• 7.2.3 测试方法95-97
• 7.3 结果和分析97-105
• 7.3.1 纳米二氧化硅/纳米纤维素复合材料的物理性能97-98
• 7.3.2 纳米复合材料表面基团分析98-99
• 7.3.3 纳米复合材料薄膜的热解过程99
• 7.3.4 不同升温速率下纳米复合材料薄膜的热解过程99-100
• 7.3.5 纳米复合材料薄膜的热解参数100-102
• 7.3.6 活化能102-103
• 7.3.7 纳米复合材料的阻燃性能103-104
• 7.3.8 纳米复合材料薄膜的吸水性能和表面润湿性104-105
• 7.4 结论105-107
• 参考文献107-109
• 第八章 总结论109-115
• 8.1 总结论109-114
• 8.2 未来的研究重点114-115

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