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硅烷偶联剂改性木粉/HDPE复合材料的研究

作　者: 李春桃
导　师: 王伟宏；王清文
学　校: 东北林业大学
专　业: 生物材料工程
关键词: 硅烷偶联剂木粉/HDPE复合材料界面相容性力学性能吸水性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

木塑复合材料(WPC)是以生物质纤维材料作为增强材料,与塑料复合而成的一类新型高性能、高附加值的绿色环保材料。然而,由于极性的生物质纤维与非极性的塑料基体之间缺乏良好的相容性,导致二者的界面不能有效结合,从而不能充分利用纤维的强度,致使所得的复合材料性能受到影响。因此,改善二者的相容性,增强其界面结合强度,是提高木塑复合材料性能的关键点之一。本文选用六种分子结构具有递变规律、代表性的硅烷偶联剂(分别为A-151、A-171、DB-550、DB-560、DB-570及DB-580)对杨木木粉进行改性处理,然后与高密度聚乙烯(HDPE)混合挤出制备木粉/HDPE复合材料,通过对比复合材料的力学及耐水性能,分析断面微观形态、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及流变性能等,优选出改性效果最佳的硅烷偶联剂。最后针对最佳硅烷偶联剂的改性工艺进行优化,具体包括偶联剂的添加量、偶联剂的溶液浓度及自由基引发剂过氧化二异丙苯(DCP)的添加量等参数。与未处理的木粉/HDPE复合材料相比,采用硅烷偶联剂处理木粉制备的复合材料的力学强度和耐水性能得到不同程度的提高,其中A-171的处理效果最好。扫描电子显微镜(SEM)观察表明,经硅烷偶联剂处理后,复合材料的断面微观形态发生变化,木粉与基体之间的结合增强,两相的界面相容性得到了有效改善。对比经A-171处理前后木粉的FTIR谱图可知,用A-171处理后的木粉的红外谱图在770cm-1处出现硅烷醇白聚产生的Si-O-Si键的特征吸收峰；另外1108cm-1处吸收峰加强,归因于Si-O-C吸收峰的出现,说明A-171和木粉之间可能发生了缩聚接枝反应。随着DCP含量和A-171含量的增加,复合材料的力学强度逐渐增大,耐水性逐渐提高；当DCP的含量为0.13%、A-171含量为4%时,弯曲、拉伸强度及耐水性达到最大值；再继续增加DCP含量,复合材料的力学强度和耐水性开始下降,这可能与DCP用量较高时引发HDPE降解有关；当A-171含量超过4%时,随着A-171含量的增加,复合材料的力学强度和耐水性增加不明显；冲击强度增加的程度却仍然很大,添加量超过6%后冲击强度增长缓慢；A-171的溶液浓度对复合材料的力学强度的影响不大,但随着A-171溶液浓度的增加,耐水性降低。流变学研究表明,不同种类硅烷偶联剂及不同用量的A-171对复合材料的线性粘弹性范围基本没有影响,但随着应变幅度的继续增大,存储模量G’开始下降,表现出非线性粘弹性行为；与未处理的木粉,HDPE复合材料相比,经过不同种类硅烷偶联剂及不同用量的A-171处理后,复合材料的储能模量G’和粘度η*均有所降低,而损耗角正切值tanδ却有所增加,但差异不大；随着频率增大,黏度均不断下降,表现出剪切变稀行为。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绝论  9-19
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 木塑复合材料的研究进展  10-11
    1.2.1 国外研究进展  10-11
    1.2.2 国内研究进展  11
  1.3 木塑复合材料存在的问题及发展趋势  11-15
    1.3.1 木塑复合材料存在的问题  11-13
    1.3.2 木塑复合材料的发展趋势  13-15
  1.4 木塑复合材料界面相容性的研究现状  15-18
    1.4.1 硅烷偶联剂的结构及作用机理  15-16
    1.4.2 硅烷偶联剂的发展历程  16-17
    1.4.3 硅烷偶联剂的使用方法  17-18
  1.5 研究目的及意义  18
  1.6 研究内容及方法  18-19
2 改性木粉/HDPE复合材料的制备方法  19-24
  2.1 主要原料  19-21
  2.2 主要仪器及设备  21
  2.3 改性木粉/HDPE复合材料的制备方法  21-24
    2.3.1 木粉的筛选  21
    2.3.2 硅烷偶联剂对木粉的处理  21-22
    2.3.3 处理木粉/HDPE复合材料的制备  22
    2.3.4 性能测试方法  22-24
3 不同种类硅烷偶联剂的筛选  24-38
  3.1 挤出工艺参数  24
  3.2 原料配比  24
  3.3 结果与讨论  24-35
    3.3.1 力学性能分析  24-27
    3.3.2 吸水性能分析  27-28
    3.3.3 微观形态表征  28-29
    3.3.4 FTIR分析  29-30
    3.3.5 流变性能分析  30-35
  3.4 硅烷偶联剂作用机理的提出  35-37
  3.5 本章小结  37-38
4 A-171改性工艺的优化  38-50
  4.1 引发剂DCP量的优化  38-41
    4.1.1 原料配比  38
    4.1.2 DCP含量对复合材料力学性能的影响  38-41
    4.1.3 DCP含量对复合材料吸水性能的影响  41
  4.2 硅烷偶联剂A-171量的优化  41-46
    4.2.1 挤出工艺参数  41
    4.2.2 原料配比  41
    4.2.3 A-171的量对复合材料力学性能的影响  41-43
    4.2.4 A-171的量对复合材料耐水性能的影响  43
    4.2.5 A-171的量对复合材料流变性能的影响  43-46
  4.3 硅烷偶联剂A-171溶液浓度的优化  46
  4.4 挤出工艺参数  46
  4.5 原料配比  46
  4.6 A-171的溶液浓度对复合材料力学性能的影响  46-48
  4.7 A-171的溶液浓度对复合材料吸水性能的影响  48
  4.8 本章小结  48-50
结论  50-52
参考文献  52-56
攻读学位期间发表的学术论文  56-57
致谢  57-58

硅烷偶联剂改性木粉/HDPE复合材料的研究

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