聚苯乙烯_植物纤维复合材料的制备与性能研究

聚苯乙烯/植物纤维复合材料的制备与性能研究

姓名：陈辉申请学位级别：硕士专业：高分子化学与物理指导教师：应宗荣

20070705

硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究摘要以木粉为填料，聚苯乙烯为基体，加入偶联剂、润滑剂、增塑剂等加工助剂，制备了聚苯乙烯／木粉复合材料。研究了木粉的干燥条件和表面处理，确定了偶联剂种类及其最佳用量。研究了木粉粒径、木粉添加量对复合材料力学性能和吸水率的影响规律。采用ＳＥＭ观察了木粉在复合材料中的分散状态，采用ＴＧ探讨了偶联剂处理对复合材料热失重的影响，采用毛细管流变仪研究了温度和木粉添加量对复合材料流变性的影响问题。初步对比研究了稻壳、木粉、竹粉等三种填料对复合材料力学性能及流变性能的影响关系。研究发现，当木粉粒径为１６５Ｉｎｎ，木粉添加量为２５ｗｔ％，偶联剂ＹＤＨ．５５０用量为木粉用量１．５ｗｔ％时，复合材料具有最大的拉伸强度３０．２ＭＰａ。ＳＥＭ观察发现，偶联剂处理后，木粉与聚苯乙烯界面模糊，偶联剂很好地提高了木粉与树脂基体的相容性。复合材料的表观粘度随木粉含量的增加而增大，挤出胀大率随木粉添加量增加而减小。复合材料表观粘度和挤出胀大比均随温度的增加而减小。稻壳、木粉、竹粉三种填料复合材料中，聚苯乙烯／稻壳复合材料的拉伸和弯曲强度最小，冲击强度最大。关键词：木粉，偶联剂，复合材料，挤出胀大，硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐａｐｅｒｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ／ｗｏｏｄａｓａｆｌｏｕｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｓａｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｗｉｔｈｔａｋｉｎｇｍｅｌｔｉｎｇｗｏｏｄｆｌｏｕｒｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔ，ｆｉｌｌｅｒ，ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｍａｔｒｉｘｐｏｌｙｍｅｒａｎｄａｓａｎｔｉ—ｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ，ｐｌａｓｔｉｃｉｚｉｎｇａｇｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓａｄｄｉｔｉｖｅｓ．Ｔｈｅｄｒｙｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｗｏｏｄｗａｓｆｌｏｕｒｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｂｅｓｔｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｃｈｏｓｅａｎｄｔｈｅｕｓａｇｅｗａｓａｌｓｏｃｏｎｆｉｒｍｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｓｉｚｅａｎｄｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｄｏｓａｇｅｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ／ｗｏｏｄｗａｓｆｌｏｕｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙ．ＴｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＳＥＭｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｗａｓｄｉｓｐｅｒｓｉｂｌｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＴＧｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｃａｐｉｌｌａｒｙｒｈｅｏｍｅｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｏｎｕｓｅｄｔｏｄｉｓｃｕｓｓｒａｔｅｏｆｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃｔｏｔｈｅｔｈｅｕｓｅｄｏｎｏｂｔａｉｎｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｎｄｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｄｏｓａｇｅｔｈｅｒｈｅｏｐｅｃｔｉｃｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ／ｗｏｏｄｗｏｏｄｆｌｏｕｒａｎｄｆｌｏｕｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｉｌｌｅｒｓ（ｒｉｃｅｈｕｌｌ，ｂａｍｂｏｏｆｌｏｕｒ）ｏｎｗｅｒｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｈｅｏｐｅｃｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｌｅｍｅｎｔａｒｉｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅ１６５“ｍ。ｗｏｏｄｆｌｏｕｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅａｃｈｅｓｔｏ３０．２ＭＰａｗｈｅｎｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｓｉｚｅｉｓｃｏｎｔｅｎｔｉｓ２５ｗｔ％．Ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｄｏｓａｇｅｉｓ１．５ｗｔ％ｏｆｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｄｏｓａｇｅ．ＴｈｅｏｂｔａｉｎｅｄＳＥＭｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｎｏｏｂｖｉｏｕｓｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｘｉｓｔｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｇｒｅａｔｌｙｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒａｎｄｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ．Ｉｔｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒａｎｄｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ．ＴｈｅＴＧｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈａｔｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ／ｗｏｏｄｆｌｏｕｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｈｅｏｐｅｃｔｉｃｔｅｓｔｔｏｌｄｔｈａｔｔｈｅｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅｒｅｄｕｃｉｎｇｏｆｔｈｅａｐｐａｒｅｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｙ．Ｔｈｅａｐｐａｒｅｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｓｗｅｌｌｒａｔｉｏｒｅｄｕｃｅｄａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｄｉｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｄｏｓａｇｅ．ＢｏｔｈｏｆｔｈｅｄｉｅｓｗｅｌｌａｓｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅａｐｐａｒｅｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｙｒｅｄｕｃｅｄＡｍｏｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｆｉｌｌｅｒｓ（ｒｉｃｅｈｕｌｌ，ｗｏｏｄｆｌｏｕｒ，ｂａｍｂｏｏｆｌｏｕｒ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｐ０１ｙｓｔｙｒｅｎｅ／Ｒｉｃｅｆｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｏｗｅｖｅｒｉｔｈｕｌｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈａｄｔｈｅｗｏｒｓｔｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｈａｄｔｈｅｂｅｓｔｉｍｐａｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｏｏｄｆｌｏｕｒ，ｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｄｉｅｓｗｅｌｌⅡ声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。年月Ｈ学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅年月日研究生签名：或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究１．绪论１．１引言目前，世界森林资源日渐枯竭，木材的需求量又在不断增加，但木材的综合使用率不高，浪费较大。纯木材已经满足不了经济发展的需求。仅在我国，废弃的木屑每年就有２００万吨左右，造成一定程度的环境污染和资源浪费。随着人们生活水平的提高，人们对生活质量和生活环境要求也在增强，己经认识到森林在保护环境、维持生态平衡中的重要作用；各国环保意识不断高涨，要求限伐、禁伐的法令不断颁布，对木材的利用提出了更高的要求：一方面尽量减少木材的采伐量，寻找木材的替代品；另一方面要提高木材的利用率，尤其是如何利用木材加工中产生的边角料等废料“～。随着经济的飞速发展，塑料等聚合物材料因重量轻、易加工、高性能和低价格而倍受青睐，但随之而来的是白色污染等问题。在现有的城市固体废弃物中，塑料的比例高达１５％．２０％，大部分是一次性使用的各类塑料包装制品。塑料废弃物的处理目前主要有填埋、焚烧、回收再利用等方法，这三种方法都不能很好的处理塑料废弃物。其中，回收再利用有重大意义，但只有解决回收成本高这个难题，才能长期有效的开展下去。石油资源日益减少，塑料原料的价格不断上涨。在这种特殊的环境下，木塑复合材料应运而生，为废旧塑料循环再利用和缓解木材匮乏指明了道路，受到世界各国广大工作者的关注。木塑复合材料从出现发展至今，受到了诸多赞誉。木塑复合材料的生产和使用，不会向周围环境散发危害人类健康的挥发物，材料本身还可回收利用，是一种全新的绿色环保产品，也是一种生态友好的复合材料。１。因此，对木塑复合材料的制备和加工进行研究，蕴含着巨大的经济效益和环保效益“１。木塑复合材料是一种很有发展前途的环保经济型复合材料。１．２木塑复合材料简介木塑复合材料包括两种：一种是混合型木塑复合材料，另一种是塑合木类木塑复合材料。混合型木塑复合材料（Ｗｏｏｄ—ｐｌａｓｔｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ），简称ＷＰＣ，是将废旧塑料（或纯料）和木粉（或锯末、木粉、稻壳、秸秆等）以一定比例混合，再添加特殊的加工助剂（如增塑剂、抗氧剂、润滑剂、偶联剂等），经一定方法加工成型的复合材料，兼有木材和塑料的特点。由于热固性塑料固化后不能再熔融，因此通常用热塑性塑料制备木塑复合材料。塑合木类木塑复合材料是将木质材料浸入单体（苯胺和吡咯、丙烯酰胺、丙烯腈、乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯等）中，然后通过加入自由基引发剂，或者升温、辐射等方法使体系固化交联的而成的复合材料。塑合木因为成本高，得不到广泛应用。混合型木硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究塑复合材料因为加工方便、无污染、成本低而得到广泛应用。本文以下所说的木塑复合材料都是指混合型木塑复合材料。１．２．１木粉１．２．１．１木粉的化学组成木材的主要化学成分是构成木材细胞壁和细胞间层的物质，由木质纤维（纤维素、半纤维素、木质素等）以及少量的木材抽提物组成。纤维素（ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）是由许多Ｄ．葡萄糖相互以１，４．苷键连接而成的均一聚糖，不溶于水，约占木材的５０％。纤维素大分子的重复单元每一个基环内含有三个羟基，这些羟基形成分子内及分子间氢键，使纤维具有较强的吸水性，吸湿率达１０％以上。纤维素具有结晶结构，对酸或碱的抵抗性较半纤维强。纤维素的结构式如图１．１所示图１．１纤维素结构半纤维素（ｈｅｍｉｅｅｌｌｕｌｏｓｅ），约占木材的２０％．３０％，它是由两种或两种以上单糖组成的不均一聚糖，分子量较低，聚合度小，大多带有支链。半纤维素大部分可溶于碱，通过加热或：ＮａＯＨ浸泡处理除去。木质素（１ｉｇｎｉｎ），约占木材的２０％．３０％，是由苯丙烷结构单元通过醚键和Ｃ－Ｃ键连接起来的具有三维结构的芳香族高分子物质，大部分不溶于有机溶剂。与一般无机填料相比，木粉作为填料，具有与高分子化合物相容性较好、密度小、原料资源丰富、可反复加工、可自然再生、可生物降解、具有较大的长径比等优点。木纤维作为一种增强材料用于热塑性塑料中还显示了较好的力学性能，如比强度高、硬度低、对加工设备磨损小等优点。２硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究１．２．１．２木粉的特点从木粉组成成分的结构来看，木粉属于强极性、强吸水性物质，具有较大的表面能；而用于制备木塑的聚合物多数为非极性或弱极性、疏水性物质。因此，木粉与聚合物各自的特点造成两者之间的相容性较差；同时，大量的羟基在木纤维表面形成分子间氢键，使木粉不能很好的分散在非极性聚合物基体中，在复合材料的制备过程中，木纤维趋于相互聚集，造成应力集中及产生缺陷的几率增大，导致复合材料的界面粘结力较小，引起复合材料力学性能的下降。如何提高木粉与聚合物的相容性一直以来都是国内外木塑复合材料的研究热点，是制备高性能木塑复合材料的关键。可以通过对木粉进行表面处理，降低木粉的极性和表面张力，提高木粉与聚合物的相容性，增强它们之间的界面结合力，制备性能优异的木塑复合材料。１．２．２塑料由于木粉中木质纤维等的热稳定性不高，２００℃以上严重降解，所以木塑复合材料所使用的塑料原料的加工温度应该在２００＂Ｃ以下。适宜制备木塑复合材料的聚合物原料有聚乙烯（ＰＥ）、聚丙稀（ＰＰ）、聚氯乙稀（ＰＶＣ）和聚苯乙烯（Ｐｓ）等，可以是新料，也可以是回收料。据研究报道，用新料或旧料制得的复合材料性能相差不多。国内外研究和应用较多的是ＰＥ基、ＰＰ基、以及ＰＶＣ基木塑复合材料，其它塑料用量较少，研究的也较少。塑料基体的选择主要是根据产品要求、供给情况、塑料自身的性能、成本和加工企业对它的熟悉程度等方面考虑。本次实验选择了聚苯乙烯为基体，因而下面仅对聚苯乙烯作简单介绍。聚苯乙烯，英文名称Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，简称ＰＳ，是典型的硬而脆性塑料。玻璃化温度较高，９５℃左右；聚苯乙烯分解温度高，３００℃后才开始分解。加工温度较宽，从１４０℃．２２０℃，适宜制备木塑复合材料。聚苯乙烯吸湿率小，通常在Ｏ．０２０／ｏ－０．３％之间，成型前不需干燥。聚苯乙烯还具有很好的电绝缘性能。１．２．３加工助剂由于木粉主要组成成分对温度非常敏感，在木塑复合材料的制备过程中，经常要添加各种助剂，改善材料的加工性能和制品质量等。如加入偶联剂可改善复合材料界面，提高界面结合力，提高材料的力学性能；加入增塑剂可以提高复合材料的可塑性，降低加工温度，这使用加工温度较高的聚合物制备木塑复合材料成为可能；加入润滑剂可以减小木粉与螺杆的摩擦，防止木粉降解，同时还可以使制品表面光滑，提高制品的表面质量。木塑复合材的加工助剂还有防腐剂、着色剂等。３硕十论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究１．３提高木粉与塑料相容性的方法从前面对木粉特点的分析可知，木粉强极性，塑料弱极性，二者相容性差，必须对原料进行改性，提高木粉与塑料基体的相容性，提高木粉在复合材料中的分散性，才能增强木粉与塑料基体的界面结合力，提高木塑复合材料的产品性能和使用价值，扩大木塑复合材料的应用范围。通过阅读和分析有关木塑方面的文献，总结出木塑复合材料的表面处理方法主要包括木粉的表面处理、塑料的表面处理和添加相容剂等。１．３．１木粉的表面处理木粉的表面处理，目的主要是为了降低木质纤维中羟基的含量，从而降低木粉的极性，提高木粉与塑料基体的相容性，以及木粉在复合材料中的分散性。木粉的表面处理方法包括物理方法和化学方法两种，其中化学方法较为常用。１．３．１．１物理方法物理方法主要包括热处理法、气爆法、物理加工法、蒸汽喷发法、放电处理法、碱处理法、有机溶剂处理法、原纤的表面放电处理等。热处理法是处理木粉最常见的方法，也是制备木塑复合材料必须的一步。木粉成分结构上最大的特点是在表面上存在大量的羟基基团，使木粉具有较强的吸水性。木粉中存在的大量自由水和结晶水，很容易在制备木塑复合材料时形成弱边界层，降低复合材料的界面结合力；同时，木粉中大量的小分子挥发物质和水分，极易为制品带来缺陷。因此，在制备木塑复合材料前，必须对木粉进行干燥处理，降低其含水量。温度需适宜，一般为１３０‘Ｃ左右。温度太低，干燥不完全；太高，容易使木粉碳化。不同种类木粉的干燥温度和干燥时间会略有差别。气爆法（ＳＴＥＸ）是一种新的物理改性方法，可引起木质素纤维材料微观结构的变化，使木材细胞破裂，除去半纤维素和部分木质素，从而提高纤维素含量，增大其表面积。物理加工法通过拉伸、压延和热处理等方法对木粉进行预处理，不改变木粉表面的化学组成，但是可改变纤维的结构与表面性能，提高与塑料的相容性。蒸汽喷发是处理木材的一种新方法，该方法通过引起木材的形态和结构变化，使木材的胞壁破坏，从而增加木材的强度和表面积‘…。放电处理包括低温等离子处理、离子溅射法和电晕放电法。用低温等离子轰击木材表面，可以增大木材表面的极性，从而提高其与塑料的粘结性能；电晕放电法”３通过对木材表面的蚀刻作用，使木材的表面变粗糙，形成力学咬合力，起到增强的作用。碱处理法是利用ＮａＯＨ等能溶解木质中部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质，４硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究不改变主体纤维素的化学结构，而使微纤旋转角减小，分子取向提高，这样纤维表面的杂质被除去，纤维表面变的粗糙，使纤维与树脂界面之间粘合能力增强。另一方面，碱处理导致纤维原纤化，即复合材料中的纤维束成更小的纤维，纤维的直径降低，长径比增加，与聚合物基体的有效接触表面增加。碱处理法的效果取决于碱的溶解形式、碱的浓度、体系的温度、处理时问、材料的张力以及所用的添加剂等。对于木纤维常采用在２３℃下用１７．５％的ＮａｏＨ溶液浸泡４８ｈ进行处理睁…。１．３．１．２化学方法化学方法是工业生产中常用的方法，通过化学反应减少木粉表面羟基数目，在木粉与聚合物基体之间建立起物理和化学键交联，通过在木粉表面形成一层憎水性薄膜从而提高其与聚合物的相容性和促进木材在聚合物基体中均匀分散。目前常用的化学方法主要有表面接枝法、乙酰化处理法、低温等离子处理法、偶联剂法等。表面接枝法是一种有效的改性方法，可以通过接枝有机聚合物长链提高木质纤维和聚合物基体相容性““。可以在复合前或复合的同时对木粉表面进行接枝。接枝剂为各种烯类单体、马来酸酐、异氰酸盐等。接枝方法常见的有自由基引发、光引发、辐射引发等。对植物纤维进行接枝处理比较复杂，但接枝纤维与聚合物基体的相容性提高明显。接枝可以改善材料的吸水性、浸润性等。将与聚合物基体相容性好或易混的聚合物接枝到木质纤维表面，可以同时改善纤维与基体的界面结合力和纤维在基体中的分散性。乙酰化处理法：植物纤维表面的羟基经乙酸酐或烯酮处理后，木材上的极性羟基基团被非极性的乙酰基取代而生成酯：Ｗｏｏｄ－ＯＨ＋ＣＨ３一ＣＯ—Ｏ－ＣＯ－ＣＩ－１３＋Ｗｏｏｄ—Ｏ—ＣＯ－ＣＨ３＋ＣＨ３ＣＯＯＨ乙酰化处理可以极大地降低复合材料的吸湿性和膨胀性。工业上通常使用乙酸酐、冰乙酸、硫酸的混合液进行对木粉乙酰化处理““。偶联剂是指能改善填料与聚合物相容性的一类物质。其分子结构中一般存在两种有效官能团：一种官能团可与僧水性的聚合物基体发生化学反应或者与聚合物基体大分子发生物理缠结；另一种官能团可与亲水性基团形成键结合。偶联剂起了“桥梁作用”，可以改善聚合物基体和填料之间的界面性能。在木塑复合材料的制备中，偶联剂法是简单易行的方法。偶联剂主要有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆铝酸酯偶联剂以及异氰酸酯类偶联剂等。（１）硅烷偶联剂硅烷是重要地偶联剂，一般为Ｙ（ＣＨ２ｈＳｉＸ３的结构：Ｙ为与有机物相结合的乙烯基、甲基丙烯酸氧基、环氧基、胺基等；ｘ为与无机物相结合的甲氧基、乙氧基和氯等基团。ｘ基团可以与水解成硅烷醇，硅烷醇侧链的羟基与木材的羟基发生发应或形成氢键，侧链的５硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究其它官能团与聚合物基体分子缠绕，从而在木粉与塑料之间形成较强的界面粘合力，达到增强的作用。（２）钛酸酯偶联剂钛酸酯偶联剂是一种在无机物与有机物间以及在有机物间具有化学结合作用的有机钛化物。钛酸酯偶联剂对无机物进行表面处理后形成有机质皮膜，从而可显著增大填充量，并提高亲和性和加工性。钛酸酯偶联剂的亲有机部分通常为Ｃｉ２－Ｃｎ长链烃基，它可与聚合物分子链发生缠绕，借分子间力结合在一起，因此特别适用与热塑性塑料长链的缠绕，可转移应力应变，提高冲击强度、伸长率、剪切强度；同时还可在保持抗拉强度的情况下增加填料填充量。此外，还可改变无机物区的表面能，使粘度下降，即使高填充也显示较好的熔融流动性。根据分子结构与填料表面的偶联构型，钛酸酯偶联剂可分为单环氧基型、螯合型、配位体型。钛酸酯偶联剂应尽量避免与具有表面活性的助剂并用，因表面活性剂会干扰钛酸酯在界面区的偶联反应。另外，酯类增塑剂与钛酸酯偶联剂易发生酯交换反应，因此，应在填料与树脂充分混合形成偶联之后才可加入酯类增塑剂。（３）铝酸酯偶联剂铝酸酯偶联剂“３１能在无机物表面形成有机质皮膜。它是继硅系、钛系偶联剂之后开发出的适用范围广、价格较低的偶联剂。它的热稳定性优于钛酸酯，并可在填料表面起化学作用，最终可在界面发生粘合和交联作用。（４）异氰酸酯类偶联剂异氰酸酯类偶联剂的特点是含有．Ｎ．《＝Ｏ官能团。－Ｎ＝Ｃ＝Ｏ可以与木纤维上的一ＯＨ基团形成聚氨酯共价键，另一端与聚合物链段发生缠绕。聚亚甲基聚苯基异氰酸酯（ＰＭＰＰＩＣ）是异氰酸酯类偶联剂的杰出代表，作为有机偶联剂，在改善纤维与聚合物相容性上比无机偶联剂效果更显著。木粉用ＰＭＰＰＩＣ处理后，复合材料得冲击强度、拉伸强度、韧性都得到了显著提高“”。异氰酸酯类偶联剂的作用机理：．Ｎ＝Ｃ＝０＋ＨＯ．Ｗｏｏｄ－－＊－Ｎｉｔ－ＣＯ一０一Ｗｏｏｄ不同偶联剂具有不同的特点，有的能改善材料的耐低温性，有的能提高材料的阻燃性，有的能提高材料的韧性，单独使用某一种偶联剂往在使材料有某些方面存在缺陷。而将有协同作用的偶联剂进行合理复配使用，通过它们之间的互补性，达到单一类型偶联剂达不到的效果，已有许多关于偶联剂互配的报道“”。１．３．２基体树脂改性由于塑料表面能低、化学惰性、表面被污染以及存在弱边界层等原因，塑料表面常常表现出惰性和憎水性，与极性的木粉相容性差，在与木粉混合中，难以将木粉湿润和粘合，需要对塑料进行表面处理，提高塑料的极性、湿润性和表面能，以提高其与木粉的界面结６硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究合力。塑料的表面处理主要有化学改性和辐射改性等“”。化学法对塑料表面改性，使其表面粮糙增加，并能增加塑料的极性，提高与木纤维的相容性。化学改性主要有表面接枝、化学氧化法和化学侵蚀法等。化学改性能够改善塑料的表面极性，但是在制备木塑复合材料过程中通过化学改性来提高复合材料相容性的效果有限。１．３．３界面相容剂添加界面相容剂是目前改善相容性采用较多的一条途径，方法简单易行且有效。相容剂为两亲化合物：一端含有极性基团，另一端含有非极性基团。根据相似相容的原则：含有极性基团的一端和木质纤维部分相容，降低木质纤维之间的凝聚力；含有非极性基团的一端和树脂部分相互缠绕，提高聚合物基体的容纳能力，起到一个将木质纤维和塑料结合在一起的“桥梁作用”，从而增大复合材料的界面结合力。界面相容剂主要有乙烯．丙烯酸酯共聚物（ＥＡＡ）、马来酸酐改性聚丙烯（ＭＡＰＰ）、酚醛树脂等。这些相容剂表面含有羧基或酐基，能与植物纤维中的羟基发生酯化反应或与植物纤维形成氢键，降低纤维的极性和吸水性，同时，长的分子链可以插入到聚合物基体中，从而在聚合物和植物纤维之间起连接作用，起到界面增强作用。有大量的文献报道了界面相容剂对复合材料力学性能的改进和改善界面相容性的机制，其中以ＭＡＰＰ的应用较为普遍。ＭＡＰＰ与木粉作用机理如图１．２所示：吲＝：翻Ｐ—卜３＾耄羹鼬ｌ图１．２ＭＡＰＰ与木粉的作用机理１．４木塑复合材料的制备工艺适用于塑料成型的工艺一般可用于制备木塑复合材料。木塑复合材料的成型工艺主要有热压成型、非气流铺装成型、挤出成型工艺等“”。７硕十论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究１．４．１热压成型木塑复合材料的热压成型技术，常常被称为木塑复合材的人造板工艺，适合于高比例木质材料含量的木塑复合材料制造，一般木质纤维材料含量在７０％以上。该工艺的加工过程是将木质纤维材料经简单的常温复合方式混合（组坯）后再热压成复合材料。其特点是可利用不同形态的木质纤维材料与塑料加工生产复合材料板材及型材。热压成型工艺流程如图１．ｔ所示。图１．３热压成型工艺流程１．４．２非气流铺装成型该工艺中将木纤维与塑料或树脂在常温下混合。木材纤维（束）及其它纤维状材料经混合后通过一个针刺工段，用薄型无纺布衬托而制成纤维相互缠绕的低密度板坯．可根据最终产品的需求和要求．将一块或数块板坯热压成最终产品，如图１．４所示。图１．４非气流铺装成型１．４．３挤出成型工艺挤出成型工艺发展最快，它是塑料加工中最主要的加工方法之一，是一种低消耗高产出的生产工艺。挤成型工艺又可分为一步法挤出成型和二步法挤出成型。木塑复合材料制品的一步法挤出成型技术，即直接用挤出机进行木塑复合材料原料的混合与成型，因省掉造粒工序，从而降低了成本并提高产品的市场竞争力。二步法挤出成型技术是先对植物纤８硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究维和塑料原料进行共混造粒，然后对复合材料进行塑化、挤出成型加工脚。．挤出工艺中，木材以木粉的形式出现，要求其粒径一般在２０．１００目之间。由于要求木粉、塑料混合物有一定的黏度以及流动性才能够顺利地从挤出机出料，故这种方法一般不另加树脂进行胶合，而是靠塑料成熔融状与木材纤维的交联，但必须加入一些偶联剂和抗氧剂等ｍＴ助剂。挤出成型工艺如图１．５所示图１．５挤出成型工艺图１．４．３．１挤出成型设备目前用于木塑复合材料挤出成型的设备主要有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机（包括异向锥形双螺杆挤出机、同向平行双螺杆挤出机嘲）。（１）单螺杆挤出机：单螺杆挤出机可以完成物料的输送和塑化任务。但是，单螺杆挤出机的输送作用主要是靠摩擦，由于木粉结构蓬松，不易对挤出机螺杆喂料，物料在料筒中停留时间较长，容易使木粉烧焦。而木粉的填充使聚合物熔体粘度增大，增加了挤出难度；单螺杆挤出机排气效果不佳，混炼塑化能力也不强。所以，单螺杆挤出机在木塑复合材料挤出中受到较大的，所用单螺杆挤出机必须采用特殊设计的螺杆，螺杆应具有较强的物料输送和混炼塑化能力，在挤出之前常常对物料进行混炼制粒。在木塑复合材料加工工业中，单螺杆挤出机主要适合于生产规模小的企业。（２）双螺杆挤出机：双螺杆挤出机依靠正位移原理输送物料，没有压力回流，加料容易；排气效果好，能够充分地排除木粉中的可挥发成分：螺杆互相啮合，强烈的剪切作用使物料的混合、塑化效果更好；物料停留时间短，不会出现木粉烧焦。因此，目前木塑复合材料主要的加工设备为双螺杆挤出机“”。双螺杆挤出机包括同向平行双螺杆挤出机、异向锥形双螺杆挤出机。９硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究同向平行双螺杆挤出机：木塑复合材料加工业称同向平行双螺杆挤出机为高速、高能耗型设备，一般为组合式螺杆，可调节螺杆长径比和构型（捏合块角度及其块数、不同捏合块组合方法），灵活设置排气口，可以直接加工木粉或植物纤维，完成木粉干燥后与熔融的树脂混合再连续挤出，即木粉干燥和树脂熔融分开进行，因此往往是由双阶挤出机组成。这种工艺要求木粉水含量低，并在严格条件下运输和贮存。此种挤出机相对长，螺杆长径比Ｌ／Ｄ可达４４－４８，其中２／３用于除水和脱挥。这种熔融的加工步骤使熔融温度较低，避免了熔料烧结的危险。同时也有利于保证下一步木屑混合的均匀性和控制木屑塑料的比例。异向锥型双螺杆挤出机：与同向平行双螺杆挤出机比，异向锥型双螺杆机被称之为低速、低能耗“型材”型设备。与一般锥型双螺杆机相比，为适应热敏树脂加工需要，要求螺杆设计适应较宽的加工温度范围，对木纤维的切断作用少，树脂少时仍能均匀分散并与物料完全熔融。由于植物纤维比重小、填充量大，加料区体积比常规型号要大、要长。若植物纤维加入量大，熔融树脂刚性大，还要求耐高背压齿轮箱，采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆，以确保木纤维停留时间短，防止其断裂和焦化糊料。１．４．３．２挤出成型工艺参数（１）螺杆转速由于木粉为热敏性填料，过大的摩擦作用有可能导致木粉的降解。在制备木塑复合材料过程中，挤出机的螺杆转速既影响生产效率，又影响复合材料的生产质量。过高的螺杆转速物料的停留时间和挤出压力，导致物料的降解和糊化；过低的螺杆转速降低生产效率和混合质量。螺杆转速还影响着物料的停留时间和挤出压力。在保证混合质量的前提下，应尽可能降低螺杆转速。（２）挤出机温度和压力挤出温度和挤出压力在制备木塑复合材料的过程中也很重要。温度过高，造成木粉降解，同时过高的温度使熔体的粘度较低，挤出压力不足．造成制品表面粗糙，强度差，影响挤出质量；温度过低，塑化不良，流动性不足，挤出困难，影响复合材料强度。熔体破裂对口模温度比较敏感，过高与过低的口模温度都会造成熔体破裂。适当地降低挤出机的温度，提高机头压力，降低螺杆转速，可以有效地改善木塑复合体系的挤出加工性能。因此，在制备木塑复合材料过程中，一定要选择好螺杆转速和挤出温度，才能制备出表面光滑，质量稳定的材料来。实际加工过程中挤出机各段温度设置如下“”：Ｉ段：１５０．１７０℃；ＩＩ段：１６０．１９０。Ｃ；ＩＩＩ段：１７０．１９５＂（２；ＩＶ段：１８０．１９５℃；机头口模段：１８０．２０５℃。各段的温度应尽可能稳定，且总的停留时间少于１５ｍｉｎ。因此，在制备木塑复合材料时，只有选择好合适的螺杆转速、挤出温度和挤出压力，才能保证具有较高的生产效率以及获得质量较好的产品。１０硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究１．５国内外研究及应用现状填充复合材料已出现并发展了很长时间，但以植物纤维为填料的木塑复合材料只是近年来的事。以木粉等天然植物纤维作为增强材料，具有资源丰富、可降解、成本低廉的独到优势，因而木塑复合材料近年来发展势头迅猛。国内外学者与专家对天然植物纤维／塑料复合材料制备与性能，尤其是在如何大大提高材料性能，又不增加成本等方面进行了大量研究。国外对木塑的研究较早。将木粉作为填料与塑料复合而成的木塑复合材料早在二战时期就出现了，但由于制得的复合材料性能较差，应用受到极大，但木塑复合材料的发展并未就此停止。１９６４年木塑复合材料曾被誉为当年世界十大科学成就之一“”。木塑复合材料迎来了春天。２０世纪８０年代初，木塑复合材料在国外就已有研究成果和实际应用，目前国外对木塑复合材料又有了更深入的研究。Ｂｌｅｄｚｋｉ啪１等人对采用质量分数５％和１０％的马来酸酐接枝聚丙烯（ＭＡＰＰ）制备的ＰＰ／木粉复合材料进行拉伸、弯曲和冲击性能测试，发现采用马来酸酐接枝聚丙烯（ＰＰ）的硬木纤维ＷＰＣ样品比软木纤维ＷＰＣ样品有更好的性能，拉伸强度和冲击强度最大时增加了５０％和２０％。Ｊａｅ．ＰｉｌＫｉｍ嘲１等采用乙烯一乙烯醇共聚物（ＥＶＡＬ）作为界面促进剂，制备了低密度聚乙烯基木塑复合材料。发现当ＥＶＡＬ为木粉用量３ｗｔ％时，复合材料具有最大拉伸应力。Ｉｃｈａｚｏｏ”等研究了木粉的处理及偶联剂对木塑复合材料力学性能、微观结构、热性能及熔体流动速率（ＭＦＲ）的影响。结果表明：氢氧化钠（ＮａＯＨ）浸渍处理木粉可以改善木粉在树脂基体中的分散性，而硅烷偶联剂和ＭＡＰＰ的加入不仅使分散性得到改善，而且提高了界面相容性，使复合材料的拉伸强度得到一定的提高。Ｚｈａｏ等。”研究了偶联剂和层状硅酸盐对聚氯乙烯／木粉／蒙脱石复合材料性能的影响。结果表明，当硅烷ＹＨ．６２用量为木粉１．５ｗｔ％时，复合材料的冲击和拉伸强度比木粉未处理的复合材料分别提高了１４．８％和１８．５％。国外已经相继开发出ＰＥ／ｋ：粉、ＰＳ／木粉、ＰＰ／木粉、ＰＶＣ／木粉等多种复合材料及制品嘲１。从国外的许多学者对聚烯烃类再生热塑性塑料与木质纤维填料复合材料所作的大量研究发现，国外木塑产品中的木粉含量有的已高达６０％以上，木塑产品向高附加值以及降低材料密度微发泡方向的发展。我国木塑复合材料的研究工作起步较国外晚。２０世纪８０年代中期，福建林学院杨庆贤等ｏ”’率先在国内进行ＷＰＣ的研究。国内研究人员充分吸收了国外的研究成果并进行了大量的工作。尤其是１９９８年后，由于塑料制品废弃物及木材资源缺口的不断增加，客观上推动了我国木塑复合材料的发展。北京化工大学、林科院、国防科技大学、中国石化北京化工研究院以及东北林业大学等高校和科研单位都进行了有关研究和开发。中国林科院木材工业研究所对木材和苯乙烯接枝共聚过程中官能团和表面极性的变化进行了研究啪１，并使用顺丁烯二酸酐和丁二酸酐经过酯化反应来降低表面极性，效果良好。上硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究海交通大学高分子材料研究所啪１用马来酸酐接枝聚丙烯作为偶联剂应用于纸粉或纤维素填充的ＰＰ体系中，并对提高材料相容性的机理进行了分析。青岛科技大学”１研究了干燥处理对ＰＥ／松木粉复合材料性能的影响，结果显示，木粉的干燥工艺直接影响到复合材料的力学性能，松木粉在１０５。Ｃ干燥７ｌｌ可使复合材料具有最佳的综合性能，与干燥４ｈ相比，拉伸强度可提高１５％，断裂伸长率可提高２０％，而冲击强度可提高３０％。２０世纪９０年代后期，王正例等对木塑复合材料组分中添加聚丙烯纤维和聚丙烯纤维进行预处理引起物理力学性能和模压性能的变化进行了研究。李兰杰等ｏ”研究了木粉粒径对复合材料力学性能的影响，结果表明，随木粉粒径的增加，复合材料的拉伸强度先增加后减小，在木粉粒径２００９ｍ左右，复合材料的拉伸强度出现最大值。秦特夫ｏ”讨论了木粉的加入量对木塑复合材料的影响。结果表明，除了使复合材料的缺口冲击强度降低外，其它力学性能均超过了纯的聚丙烯塑料。胡圣飞等…１研究了ＰＰ／纳米ＣａＣＯｇ木粉复合材料，采用扫描电镜观察了纳米ＣａＣ０３包覆木粉的形状，并对其耐热性能进行了分析。结果表明，纳米ＣａＣ０３能有效提高木粉的耐热性能；表面处理剂的不同，改性效果也不同，ＥＰＤＭ．ｇ－ＭＡＨ改性的ＰＰ／纳米ＣａＣ０３／木粉体系的力学性能最佳。刘玉春等”“对木粉填充改性多组分废旧塑料专用相容剂以及木粉高填充改性聚丙烯再生料进行了研究。虽然我国ＷＰＣ研究起步晚，但ＷＰＣ产业发展异常迅速。２００２年国内只有个别企业小批量生产，２００５年生产企业超过１００家，产量超过２０万。现在，国内生产ＷＰＣ的技术与设备已经成熟，国风和南京聚锋公司拥有自己的专利技术和成熟的工艺配方，锥形双螺杆挤出机在许多厂家得到了很好的应用，发展ＷＰＣ产业已无技术瓶颈。专家预测，今后几年，中国ＷＰＣ将会以年均３０％．５０％的速度增长，最终市场容量将达１０００万吨／年，产值超过５００亿元／年。但国内木塑制品主要为托盘，占木塑制品产量的６０％．７０％；其余用做铺板、仓库垫板或垃圾箱等。基本上都是中低挡产品，价格便宜，产品粗糙，附加值低‘…”。１．６木塑复合材料的特点和应用１．６．１木塑复合材料的特点木塑复合材料兼具木材和塑料的共同特点：（１）原料来源广泛。木塑材料除了使用一定数量的助剂以外，９５％以上的原料均为塑料和木质纤维，来源广泛、价格低廉；（２）无木材制品的缺陷，如木节疤、斜纹理、腐朽等；耐用，寿命长，有类似木质外观，比塑料硬度高；（３）强度高、耐用性好，木塑复合材料具有较好的弹性模量。此外，由于内含木质纤维并经树脂固化。因而具有与硬木相当的抗压、抗冲击等物理机械性能，并且其耐用性明显优硕十论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究于普通木质材料；（４）木塑制品无论是压制、挤压、注射成型，只要有定型的模具和容样器即能一次成型，无加工剩余物，同时具有高效的原料转化率和自身循环利用率嘲；（５）制品表面光滑、平整、坚固，可压制出各种要求形状，而且有类似木材的二次加工性，可切割、粘结等；加入各种着色剂或覆膜，能制得色彩绚丽的各种制品；（６）木塑复合材料及其产品可抗强酸碱．耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被子虫蛀，不长真菌。木塑复合材料也有自身的缺点㈨：（１）密度高，通常为木材的２．４倍；（２）产品的安装费用相对较高（由于复合材料的密度较大，在组装时需要使用射钉或自攻螺钉）：（３）耐热性和耐紫外线能力较差；“）制品的硬度和载荷能力较木材差Ⅲ】。１．６．２木塑复合材料的应用木塑复合材料兼有木材和塑料的特点，且配方可以灵活调整，越来越受到消费者的喜爱，应用范围也越来越广泛。不仅可以应用于包装行业、建筑行业，还可以应用于汽车、铁路，甚至航天等，前景广阔。（１）包装行业包装行业主要应用有托盘、包装箱、集装器具等．随着物流业的蓬勃，托盘用量剧增。北美地区托盘用量高达２亿多个，木塑托盘产品已经占到近一半市场。据日本托盘协会统计，日本托盘用量每年约６００万个。中国物流与采购联合会托盘专业委员会预测，近几年内，我国木托盘的平均使用量将会突破每年８０００万个，其中木塑托盘由于材料成本低，且优于木材的耐腐蚀性能，具有很强的竞争力，必将占据一定市场份额“”。（２）建筑行业由于木塑复合材料有一定力学强度，且防潮、防腐蚀、防霉性能与塑料相似，使得木塑复合材料在建筑和装饰工程中应用及其广泛，市场潜力大，增速快。铺板、护栏、工业地板等对结构功能要求不高的建筑产品是ＷＰＣ增长最快的潜在市场；ＷＰＣ具有传统木质人造板的性能，且防潮防腐、制造简单，有取代传统木质人造板的势头，应用在民用壁板、天花板、门窗、空间隔板、屋顶盖板和地板等；ＷＰＣ具有近似木材的纹理和颜色给人舒适自然的感觉，同时具有比木材更优异的耐候性、尺寸稳定性和防腐性，因而ＷＰＣ作为园林景观材料应用逐渐增多，如桌、椅、花架、垃圾箱、游廊等。（３）汽车行业近年来，汽车工业发展迅猛，对塑料的需求量增多，降低塑料使用成本和车内环境成１３硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制各与性能研究了厂家的追逐的目标，木塑ＷＰＣ以其合理的价位和优异的性能而在汽车内饰品中获得广泛应用。如汽车门板、后隔物箱、行李箱侧围、高架箱、顶棚、支柱、座椅靠板等。１９７５年，意大利首先将聚丙烯基ＷＰＣ应用到ＬＡＮＣＩＡ和ＦＩＡＴ汽车上，现在很多国外汽车商都在汽车上使用了ＷＰＣ复合材料。随着我国汽车工业的发展和国家对环保的重视，以及加入ＷＴＯ后汽车价格的竞争，ＷＰＣ以其优越的成型性能和合理的价位，必将会更多地运用于汽车上。（４）其他方面的应用木质枕木需要大量的优质木材，而且易损坏，需要不断地维护和更新；钢筋混凝土枕木缺乏弹性，对车辆和路基的磨损大。国外研究表明，暮宿复合枕木可以达到木质枕木的力学性能，而且经济性强，是现有枕木的理想替代品。１．７本文的研究内容本文以聚苯乙烯为树脂基体，植物纤维为填料，添加了偶联剂、润滑剂、抗氧剂、增塑剂等加工助剂，制备了聚苯乙烯／植物纤维复合材料。本文主要研究内容：（１）木粉的干燥和表面处理，选出合适的偶联剂种类及最佳用量（２）木粉添加量、木粉粒径等对聚苯乙烯／植物纤维复合材料力学性能的影响规律（３）利用扫描电子显微镜观察复合材料的微观界面形态（４）探讨偶联剂处理效果、木粉粒径、木粉用量对复合材料吸水率的影响规律（５）探讨温度、木粉含量、剪切速率等对复合材料剪切粘度以及挤如胀大的影响（６）探讨不同填料种类对复合材料力学性能和流变性能的影响１４硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制各与性能研究２．聚苯乙烯／木粉复合材料的制备与力学性能研究２．１引言木塑复合材料从出现发展至今，受到了诸多赞誉。木塑复合材料的生产和使用，不会向周围环境散发危害人类健康的挥发物，材料本身还可回收利用，是一种全新的绿色环保产品，也是一种生态友好的复合材料。因此，对木塑复合材料的制备和加工进行研究，蕴含着巨大的经济效益和环保效益，是一种很有发展前途的环保经济型复合材料。本文以聚苯乙烯为树脂基体，木粉为填料，制备了聚苯乙烯／木粉复合材料。由于木粉的易降解性，添加了润滑荆、抗氧剂等。复合材料制备过程中，还加入一定量的增塑剂降低复合材料的塑化温度和提高材料的韧性。２．２实验部分２．２．１实验仪器与原料２．２．１．１实验仪器塑料注塑成形机：Ｓｚ－６８／５０Ａ．ＮＪ，宁波永泰塑料机械有限公司微机控制电子万能试验机：深圳市新三思材料检测有限公司ＴＥ３５型双螺杆挤出机：江苏科亚有限公司ＬＱ型冷切粒机：江苏省泰州市鑫力橡塑机械有限公司；ＸＪＪ．５简支梁冲击试验机：深圳市新三思材料检测有限公司ＲＨ２２００型双头毛细管流变仪：Ｂｏｈｌｉｎ２．２．１．２实验原料聚苯乙烯：１４３Ｅ型，扬子ＢＳＦ公司木粉：纯杨木，山东临沂市枫桦面粉加工有限公司偶联荆ＹＤＨ－５５０，ＹＤＨ一１０２，ＹＤＨ．７９１，ＹＤＨ．６０２：南京裕德恒偶联剂厂润滑剂：ＴＲ－０４４ｃｏｍｐａｎｙ抗氧剂：汽巴．１０１０，汽巴．１６８油酸：化学纯ＣＰ，上海凌峰化学试剂有限公司丙酮：分析纯ＡＲ，上海殷祥生物科技有限公司硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究２．２．２试样制备将木粉于１２０℃连续烘干６ｈ，以去除木粉中的大部分水分和其它易挥发、易分解组分。用丙酮或乙醇将偶联剂稀释一定倍数，在高速搅拌下加入木粉中，处理完毕，放入烘箱，于一定温度下烘干待用。将用偶联剂处理好的木粉与聚苯乙烯，及一定量的增塑剂、润滑剂、抗氧剂等加工助剂混合，然后通过双螺杆挤出机挤出造粒。粒子经烘干，注塑机注塑出标准样条，待测性能。未经说明，所用木粉均为１００目。本次试验，所有试样中，聚苯乙烯（Ｐｓ）与增塑剂（ＤＯＰ）的用量为９：１（质量）。木粉添加量表示木粉在总原料中的质量百分比。双螺杆挤出机的挤出条件：一区温度９０。Ｃ、二区温度１２０＂Ｃ、三区温度１６０。Ｃ，四区温度１６６℃、五区温度１７０℃、机头温度１７０℃：喂料速度２００ｒ／ｍｉｎ，主机频率为１７Ｈｚ注塑条件：前段温度１４０＂Ｃ、后段温度１７０‘Ｃ，喷嘴温度１７０＂Ｃ；注射压力７ＭＰａ，保压ｌＯｓ本次实验路线如图２．１所示。图２．１木塑复合材料的制备及性能测试流程１６硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究２．２．３力学性能测定（１）拉伸强度测试：用微机控制电子万能材料试验机，按ＧＢ厂ｒ１０４０．９２塑料拉伸试验方法进行测试，拉伸速度为５ｒａｍ／ｒａｉｎ。（２）冲击强度测试：用冲击试验机，按ＧＢｆｒ１０４３．９６塑料简支梁冲击试验方法进行测试。（３）弯曲强度测试：按ＧＢ，９４３．２０００测定，测试速度为１０ｍｍ／ｍｉｎ。２．３结果与讨论２．３．１木粉干燥引言中已经指出，木粉的组成十分复杂，不仅含纤维素、半纤维素、木质素等高分子化合物，而且还含大量的单糖、果胶质、脂肪、蜡及不可皂化物等小分子化合物。如果木粉干燥不充分，在制备木塑复合材料过程中，木粉中的水分及其他小分子油脂等在高温下就会挥发或者渗出到木粉的表面，甚至发生某些分解反应，这必然会对复合材料的性能产生影响。李兰杰ｏ“等研究发现，随着干燥温度的升高，ＰＥ／松木粉复合材料的拉伸强度成波浪型变化，在１０５℃及１５０℃处出现最大值。因此，木粉的干燥处理工艺是一个不应忽视的问题，是制备高性能木塑复合材料的一个重要环节。２．３．１．１干燥温度的影响由于木粉为热敏性材料，温度过高，很容易发生降解。大量文献表明，纤维素的热降解过程分为四个阶段：第一阶段，２５。Ｃ一１５０＂（２，物理吸附水放出：第二阶段，１５０＂Ｃ－２４０＂Ｃ，某些葡萄糖基开始断裂；第三阶段，２４０＂（２－４００＂（２，糖苷键开始断裂；第四阶段，大于４００＂（２，残余部分芳环化，形成石墨结构。因此，木粉的干燥，只有在合适的温度范围内，才能达到既除去水分等小分子物质，又不破坏纤维大分子的结构的目的。我们选择了三个温度对木粉进行干燥：９０＂Ｃ，１２０＂１２，１５０＂Ｃ。干燥时间均定为３ｈ。所得数据如表２．１所示。表２．１干燥温度对木粉失重率的影响从表２．１中数据可以看出，随着温度的升高，木粉适中率迅速增大。９０℃时木粉失重率仅有６．０９％，当温度提高到１２０℃时，木粉失重率提高到了１１．２５％，提高了近一倍。在９０１２，木粉失去的主要是自由水。１２０＂Ｃ时，木粉除了失去自由水外，还失去了一部分的１７硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究结合水及小分子物质。当温度提高到１５０℃，木粉中大量的结合水及小分子物质释放出来，引起木粉失重率继续增大。在干燥过程中我们发现，当温度较低时，木粉干燥后不会变色；温度较高时，木粉发生严重变色，可能是吸湿性较强的多糖类分解导致的。可见，干燥温度过低，干燥很不完全；干燥温度过高，半纤维素、木质素这两类非结晶型聚合物会发生玻璃化转变，引起木粉力学强度下降。终合各种因素考虑，我们选择了１２０℃作为本次实验木粉干燥温度。２．３．１．２干燥时间的影响图２．１是ｔ２０＂Ｃ下木粉失重率随时间的变化图。从图中我们可以看出，随着时间的增加，木粉的失重率增加，刚开始时增加很快，但５ｈ后，曲线趋于平缓，木粉失重率随时间的变化甚微。为此，可以确定本次实验的木粉干燥时间为６ｈ。１１．２汝１１．ｏ糌紫仉ｓ１０．６１２３４５６７８时间（由）图２．１木粉失重率与时间的关系２．３．２木粉表面处理可用于处理木粉的表面处理剂有许多，基本要求是一端能与木粉表面羟基发生化学反应或形成氢键等，另一端与聚合物基体发生物理或化学作用，从而提高木粉与聚合物基体的相容性，将它们很好的结合起来。用于木塑的表面处理剂有很多，包括硅烷系、钛酸酯系、铝酸酯系、异氰酸酯类等。它们均能提高木粉与聚合物的相容性。本文选择南京裕德恒偶联剂厂的ＹＤＨ－５５０，ＹＤＨ．１０２，ＹＤＨ．７９１，ＹＤＨ一６０２，以及油酸来处理木粉，固定表硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究面处理剂的用量为木粉用量的１ｗｔ％，通过测定复合材料的力学性能，从上面几种处理剂中选择最适宜木粉处理的一种。表２．２不同表面处理剂对复合材料力学性能的影响由表２．２所示数据可以看出，不同表面处理剂处理木粉所制得的复合材料的拉伸强度差别不大，但均比木粉未处理的复合材料要大，其中用ＹＤＨ．５５０处理后的复合材料比加了增塑剂的聚苯乙烯（Ｐｓ）的拉伸强度略大一点，起到了增强作用。相对而言，用油酸处理效果略微差一点，ＹＤＨ．５５０效果最好。这是因为，每个油酸分子只含有一个与木粉表面羟基反应的基团，在表面处理剂用量相同的情况下，油酸处理的木粉表面剩余羟基的量最多，木粉与聚苯乙烯的相容性最差，从而复合材料的力学性能最差；而ＹＤＨ－－５５０的分子式为ＮＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣ：Ｈｓｈ，单位质量中比其他几种表面处理剂含有的活性基团更多，因而在相同用量下，其处理过的复合材料力学性能最好。从表２．２我们还可以看出，木粉的加入降低了复合材料的断裂伸长率。偶联剂的用量决定了复合材料中偶联的效果。在挤出成型中，偶联剂的用量通常为木粉质量的１％－４％。偶联剂作用与其对木粉表面覆盖程度有关：用量太少，填料表面覆盖不完全，不能在木粉与聚合物间形成均匀、完全的“桥”，起不到理想的偶联作用，因而改进物性效果不佳，力学性能达不到最好；若用量过多，木粉表面覆盖了过多的偶联剂分子，偶联剂及偶联剂之间发生干扰反应，在制备复合材料时，这些过多的偶联剂分子会在木粉与聚合物之间形成不均匀的弱边界层，造成材料的力学性能反而下降。因此，有必要对偶联剂的用量进行研究。研究偶联剂用量时，木粉的添加量均为２５ｗｔ％。改变ＹＤＨ－－５５０的用量，其他成分比例不变。图２．２反映了偶联剂不同用量对聚苯乙烯，木粉复合材料拉伸强度的影响。图２．３反映了偶联剂不同用量对聚苯乙烯／木粉塑复合材料断裂伸长率的影响。从图２．２中可以看出，随着偶联剂用量的增加，复合材料的拉伸强度先增加后降低，说明偶联剂的用量太低或太高都达不到最佳效果。当偶联剂用量从１ｗｔ％增大到１．５ｗｔ％时，复合材料的拉伸强度提高了近２．５ＭＰａ；继续增大偶联剂用量，复合材料的拉伸强度反而降１９硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究低，当偶联剂用量为６ｗｔ％时，复合材料的拉伸强度比最佳用量１．５ｗｔ％时降低了近６ＭＰａ。这是因为，随着偶联剂用量的增加，木粉表面的羟基量减少，木粉的表面能降低，木粉与聚苯乙烯的相容性提高，界面结合力增强；但是，随着偶联剂用量的进一步增加，导致木粉与聚苯乙烯之间存在过多的偶联剂分子，这些偶联剂小分子在木粉与聚苯乙烯之间形成不均匀的弱边界层，造成材料的力学性能下降。确定木粉的最佳用量为１．５ｗｔ％。３０２９霆２８慧２７备：斟拍８偶联剂用量（，卵图２．２偶联剂用量对复合材料拉伸强度的影响口ｅ７Ｂ汊哥举量耐磐５●偶联剂用量（％）图２．３偶联剂用量对复合材料断裂伸长率的影响从图２．３可以看出，随着偶联剂用量的增加，断裂伸长率先略微增加，然后剧烈下降。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制各与性能研究在１．５ｗｔ％处达到最达值，这与偶联剂对拉伸强度的影响相似。由于加入了一定量的增塑剂，不同偶联剂用量的复合材料的断裂伸长率超过了纯聚苯乙烯的断裂伸长率（２％），偶联剂对断裂伸长率的影响规律进一步确定偶联剂用量的最佳用量为１．５ｗｔ％。２．３．３木粉粒径对复合材料力学性能的影响不同粒径木粉在粉碎过程中所承受的力是不同，因此不同粒径的木粉也就具有不同的表面粗糙度和长径比，并且木粉本来的“微泡结构”所遭受的破坏程度不同㈨。木粉粒径越大，其表面粗糙度也就越大。木粉表明粗糙度对复合材料的影响主要表现在２个方面：在木粉与塑料能够形成良好浸润以及有利于形成机械咬合的表面粗糙形态的前提下，表面粗糙度大意味着能在界面形成较深的界面扩散和机械咬合，而若塑料不能在木粉表面形成良好的浸润和木粉表面粗糙形态不能形成良好机械咬合，木粉表面粗糙度增加意味着在界面处形成的空洞几率增加，导致复合材料总体强度下降。本文选择２０目（８５０９ｍ）、６０目（２４５ｔｔｍ）、１００目（１６５ｔｔｍ）、２００目（７５９ｉｎ）、３００（５０ｔｔｍ）目木粉为研究对象，木粉用量为２５ｗｔ％，通过测定复合材料力学性能，找出木粉粒径对复合材料的力学性能影响规律。２．３．３．１木粉粒径对复合材料拉伸强度的影响木粉粒径对复合材料拉伸强度的影响如图２．４所示。３１鐾。。瑙鐾２９辊２８２７２００４００６００木粉粒径（／．ｔ腰）图２．４木粉粒径对复合材料拉伸强度的影响由图２．４可以看出，随木粉粒径的增大，复合材料的拉伸强度先增大后减小。在２ｌ硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究５０．１８０１．ｔｒａ范围内，复合材料的拉伸强度随粒径的增大而增大，拉伸强度从５０１．ｔｉｎ时的２８．４ＭＰａ．噌至ｌＪｌ６５ｔｔｍ时的３０．２ＭＰａ，增加了２ＭＰａ。这是因为，随着木粉粒径的增大，木粉的表面粗糙度和长径比增大，在木粉与塑料基体界面能形成较深的界面扩散和机械咬合，增加了界面结合力，提高了复合材料的拉伸强度，同时，在一定范围内，粒径越小，纤维越短，在树脂中交织越差，引起材料强度降低；随着粒径的进一步增大，复合材料的拉伸强度开始下降，剧烈下降后趋于平缓，从１６５ｔａｍ时的３０．２ＭＰａ下降到８５０ｔＪｌｎ时的２６．５ＭＰａ，下降了近４ＭＰａ。这是因为，随着粒径的增大，木粉与聚苯乙烯界面的空洞增加，木粉在复合材料中的分散性降低，与聚苯乙烯接触面积减小，同时较大的颗粒引起的应力集中及产生缺陷的可能性交大，因而降低了复合材料的拉伸强度。由此可见，较大或较小的木粉粒径均会降低复合材料的拉伸强度，因此，适宜制备木塑复合材料的木粉粒径为１００目（１６５ｔｔｒａ）左右。２．３．３．２木粉粒径对复合材料无缺口冲击强度的影响冲击强度反映了材料韧性的大小，冲击强度越大，表明材料的韧性越好；冲击强度越小，则表明材料的韧性越差。木粉粒径对复合材料无缺口冲击强度的影响如图２．５所示。１１．２１０．８１ｎ４１０．０，确誊缁暇佰是Ⅱ髻限０２∞４００６００木粉粒径（ｕｍ）图２．５木粉粒径对复合材料冲击强度的影响由图２．５可知，随着木粉粒径的增大，复合材料的无缺口冲击强度呈现下降的趋势。从５００ｍ至Ｕ８５０ｔｔｍ，复合材料的无缺１：３冲击强度从１０．９６ｋＪ／ｍ２降到９．６２ｋＪ／ｍ２，降幅明显。原因可能是木粉粒径越大，在木粉与聚苯乙烯两相的界面处引起应力集中和缺陷的几率增硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究大，宏观上表现为复合材料的无缺口冲击强度下降。２．３．４木粉添加量对复合材料力学性能的影响主要研究了木粉添加量对复合材料拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、以及无缺口冲击强度的影响。２．３．４．１木粉添加量对复合材料拉伸强度的影响木粉添加量对复合材料拉伸强度的影响如图２．７所示。３０２９２８２７＾圆遘ｖ越骥垂：２６氧２５２４１０１５２０２５３０木粉添加量（夕Ｄ图２．７木粉添加量对复合材料拉伸强度的影响从图２．７可以看出，随着木粉含量的增加，复合材料的拉伸强度先增加，后减小。在木粉含量２５％时达最大值。当木粉添加量较少时，木纤维在聚合物基体中分散较好，同时由于木纤维具有较高的机械强度，通过偶联剂的作用，与聚合物基体形成有机整体，使复合材拉伸强度提高，起到了增强的作用。但当木粉含量继续增加，木粉容易出现团聚，在聚合物中的分散不均匀，同时聚合物基体对木粉包覆不完全，导致复合材料造成内部缺陷增多，产生应力集中，引起复合材拉伸强度下降。２．３．４．２木粉添加量对复合材料弯曲强度的影响木粉添加量对复合材料弯曲强度的影响如图２．８所示。由图２．８可知，复合材料弯曲强度表现出与拉伸强度同样的趋势。随着木粉含量的增加，弯曲强度先增后减。在木粉含量硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究２５ｗｔ％时达最大值，比只加了增塑剂的聚苯乙烯弯曲强度提高了近６０％。原因在木粉含量为２５ｗｔ％，木粉能很好的分散在聚合物基体中，同时由于木粉具有较大的弯曲强度，木粉的加入增大了材料的刚性，在一定范围内起到了增强的作用。可见木粉的含量过多或过少均会引起复合材料弯曲强度的降低。９０∞壑。７０瑙醺霍｛瓠’∞，５００木粉含量（只卵图２．８木粉添加量对复合材料弯曲强度的影响２．３．４．３木粉添加量对复合材料弯曲模量的影响木粉添加量对复合材料弯曲模量的影响如图２．９所示。由图２．９可见，随着木粉含量的增加，复合材料的弯曲模量增加。木粉含量达ＮｌＯｗｔ％之前，复合材料的弯曲模量缓慢增加；继续增加木粉含量，复合材料的弯曲模量剧烈增加；当木粉含量达至）Ｊ２５ｗｔ％之后，复合材料的弯曲模量增幅趋于平缓。高模量木粉的加入，增强了复合材料的弯曲模量。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究５＾４ｇＶ蚓３辎垣｛缸’２Ｏ１０木粉含量（％）图２．９木粉添加量对复合材料弯曲模量的影响２．３．４．４木粉添加量对复合材料无缺口冲击强度的影响复合材料在应用过程中难免受到冲击载荷作用或发生高速变形，尤其是那些表观上不使复合材料破坏的低能冲击，往往造成复合材料的内部损伤，从而使其性能大大下降，因而受冲击载荷时的力学响应及能量吸收或抵抗裂纹扩展能力是复合材料的重要性能，可用冲击强度来度量。木粉添加量对复合材料无缺口冲击强度的影响如图２．１０所示。４ｅＶ警２魁酲佰是ⅡＯ塔怅８Ｏ１０２０木粉添加量（彤）图２．１０木粉添加量对复合材料无缺口冲击强度的影响硕十论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究由图２．１０可知，复合材料的无缺口冲击强度随着木粉含量的增加显著降低。当木粉含量为３０ｗｔ％时，复合材料的冲击强度比聚合物基体降低了近６ｋＪ／ｍ２。冲击强度于聚合物基体本身性能以及木粉与聚合物的粘结程度有关。纤维素大分子为高刚性，大分子链段不容易发生运动，不能通过构象改变起到吸收能量的作用，木粉的加入降低了复合材料的韧性，且木粉的增加，加剧凝集，增大了纤维引起的应力集中，导致产生缺陷的几率大大增加，当复合材料受到冲击作用时，这些缺陷容易引发裂纹并导致裂纹扩展，引起冲击强度的降低。２．４小结（１）研究了干燥温度以及干燥时间对本次实验所用木粉失重率的影响，确定了干燥温度为１２０℃，干燥时间为６ｈ。（２）比较了不同偶联剂处理木粉的效果，比较发现，ＹＤＨ．５５０处理木粉效果最好，复合材料具有最大的拉伸强度；进一步研究，确定ＹＤＨ．５５０最佳用量当为１．５ｗｔ％，此时复合材料的拉伸强度及断裂伸长率均达到最大值。（３）随着木粉粒径的增加，复合材料的拉伸强度先增加后减小，当木粉粒径为１６５Ｉａｍ时，复合材料拉伸强度达最大值３０．２ＭＰａ；复合材料的无缺口冲击强度随着木粉粒径的增加而显著减小。（４）随着木粉添加量的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度均是先增加后减小，且都在２５ｗｔ％木粉含量时达最大值，分别为３０．２ＭＰａ与８６ＭＰａ：由于木粉的高刚性，弯曲模量随木粉含量增加而不断增加；无缺口冲击强度随木粉含量增加而逐渐减小。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究３聚苯乙烯／木粉复合材料形态分析及其它性能研究３．１引言利用扫描电镜（ＳＥＭ）对复合材料微观结构形态进行考察，有助于了解填料在树脂基体中的分布情况，填料与树脂基体的界面结合情况，分析处理剂的处理效果。对复合材料进行热失重分析，可以获得材料的热分解初始温度，可以确定偶联剂的处理效果，并能帮助我们确定材料的使用温度。聚合物流变学是研究聚合物及其熔体的变形与流动特性的科学。聚合物流变学提出描述聚合物流变特性的各种数学模式，从而引入描述聚合物流变行为的常数和函数，为开发新材料提供表征其流变性的依据。聚合物的加工成型多是在熔融状态下或溶液状态下进行，它们的粘度对温度依赖性及剪切速率依赖性是确定加工工艺参数的重要依据“２…。聚合物流变行为很大程度上决定了聚合物的加工成型和使用性能，有必要对聚合物的流变性进行研究。材料制备、结构分析与性能测试都是为最终制品使用而准备。制备木塑复合材料的挤出和注塑等过程都是在熔融流动状态下进行的，要求物料具有恰当的流动性：流动性过大或过小，均会增加材料的制备难度、造成材料的性能下降。流动性过小，不利于充模，造成挤出困难：流动性过大，不能形成足够的挤出压力，造成制品的强度缺陷，且也不利于物料在挤出口模时的制品定型。因此，在制备木塑复合材料过程中，体系的流变性对加工过程和最终制品的各种性能产生重要影响““１。研究体系的流变性对制备性能优异的木塑复合材料具有很好的指导作用。３．２实验部分３．２．１实验仪器及实验原料３．２．１．１实验仪器扫描电镜：ＨｉｔａｃｈｉＸ．６５０ＲＨ２０００毛细管流变仪：Ｂｏｈｌｉｎ公司平板硫化机：中国上海轻工机械股份有限公司３．２．１．２实验原料（１）．未用偶联剂处理的复合材料硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究（２）．不同偶联剂添加量的复合材料（３）．不同木粉添加量的复合材料（４）不同木粉粒径的复合材料３．２．２性能测定（１）扫描电镜测试：冲击试样断面喷金后，用ＨｉｔａｃｈｉＸ－６５０扫描电镜对复合材料的微观结构进行测试（２）热失重测试：Ｎ２氛围，升温速度为２０℃／ｍｉｎ，温度测试范围为５０＂Ｃ．３７５℃（３）吸水性能：按ＧＢ，１０３４．８６进行测试（４）流变性能测试：ＲＨ２０００毛细管流变仪对试样的各种流变性能进行测定３．３结果与讨论３．３．１复合材料形态分析图３．１为聚苯乙烯／术粉复合材料断面ＳＥＭ图。图３．１（ａ）与（ｂ）为未加入偶联剂与加入偶联剂复合材料３００倍的ＳＥＭ图，从图中可以看出，木粉未用偶联剂处理，木粉在复合材料中有轻微团聚的现象，加入偶联剂后，未有团聚现象出现，说明偶联剂的加入减少了木粉的表面羟基数，降低了木粉的表面极性，一定程度上提高了木粉在复合材料中的分散性。（ａ）×３００倍，未处理（ｂ）×３００倍，偶联剂处理图３．１聚苯乙烯／木粉复合材料断面ＳＥＭ图硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究从图３．１Ｃｃ）可以看出，木粉未用偶联剂处理，木粉表面光滑，木粉与聚苯乙烯界面清晰可见，导致木粉与聚苯乙烯的界面结合力较小。未能被聚苯乙烯很好的浸润。图３．１（ｄ）清楚显示，木粉与聚苯乙烯的界面模糊，木粉被聚苯乙烯很好地包覆起来。说明木粉经偶联剂处理后，与聚苯乙烯的相容性得到了提高。（Ｃ）×１５００倍，未处理（ｄ）×１５００倍，偶联剂处理图３．１聚苯乙烯／木粉复合材料断面ＳＥＭ图３．３．２热失重分析图３．２为木粉用偶联剂处理和未用偶联剂处理复合材料的热失重曲线。１∞Ｓ９０Ｖ瓣１缸｜｛８０水１５０２２５３００温度（口）图３．２聚苯乙烯／木粉复合材料热失重曲线硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究从图３．２可以看出，用偶联剂处理的复合材料的热分解初始温度明显高于未处理的复合材料的热分解温度，说明偶联剂很好的起到了“桥梁”的作用，使木粉与聚苯乙烯融为有机整体，提高了木粉与聚苯乙烯的界面结合力，因而材料的热分解需要更多的能量，引起材料的热分解温度提高。３．３．３吸水性能研究木塑产品已进入人们的生活，其应用范围也越来越广泛，从室内到室外，譬如用木塑复合材料制作的房屋、室外地板、阳光房、码头、护栏等户外产品“…。由于户外用品与水分的接触是不可避免的，木塑复合材料的吸水问题不可忽视。木塑复合材料吸水会导致产品变形等，引起产品的性能下降和使用寿命缩短。因此有必要对木塑复合材料的吸水性能进行研究，从中寻找出规律，为制得高耐水木塑产品打下基础。根据ＧＢ／１０３４．８６，将试样于２３℃冷水中浸泡２４小时，按公式３．１计算吸水率。ＷＰ‘＝竺：！！ｘ１００％Ｇ１（３．１）ＷＰ．ｃ－………一一一……一吸水率Ｇ１复合材料干燥前重量Ｇ２……………一一一复合材料干燥后重量本文研究了偶联剂处理效果、木粉粒径、木粉添加量对木粉／聚苯乙烯复合材料吸水性能的影响，测试数据如表３．１，３．２，３．３所示。其中表３．１中１＃表示聚苯乙烯＋增塑剂，２＃表示聚苯乙烯十增塑剂＋２０％木粉，３＃表示表示聚苯乙烯＋增塑剂＋２０％木粉＋１．５％偶联剂。表３．２中测试试样的木粉含量均为２０ｗｔ％，偶联剂用量为木粉质量的１．５ｗｔ％。表３．１偶联剂处理对复合材料吸水率的影响从表３．１中数据可以看出，木粉的加入，增加了复合材料的吸水率。木粉经偶联剂处理的复合材料的吸水率比木粉未处理的复合材料吸水率要小。这是因为，未处理的木粉与基体聚苯乙烯的相容性差，聚苯乙烯未能将木粉很好的包覆起来，木粉表面裸露了一定量的羟基，易于吸水；经偶联剂处理后，木粉与聚苯乙烯的相容性得到大大的提高，聚苯乙烯很好的包覆了木粉，裸露在木粉表面的羟基大大减少，吸水率降低。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究从表３．２中可以看出，复合材料的吸水率随木粉粒径增大而增大。这是因为，木粉粒径越大，比表面积越小，与聚苯乙烯接触面积越小，造成包覆效果越差，从而使复合材料的吸水率增加。表３．３木粉添加量对复合材料吸水率的影响从表３＿３中不难看出，随着木粉量的增加，复合材料的吸水率增加。这主要是由于随着木粉含量的增加，木粉在聚苯乙烯中的体积比增大，造成裸露于木粉表面的羟基数量增加，引起吸水率的增加。３．３．４流变性能研究由Ｏｓｔｗａｌｄ－ＤｅＷａｅｌｅ“”提出的指数定律方程是一种较能反映粘性液体流变性质的经验数学关系式，剪切力和剪切速率具有指数函数的关系：．Ｈｆ＝Ｋ，，．ｎ－Ｉ（３．２）（３．３）或式中，ｒｌ。＝Ｋｙｔ——剪切应力Ｋ——粘度系数丫一剪切速率ｎ一流动行为特性指数”广表观粘度将式（３．３）取对数形式，可得到：ｌ酣。＝ｌｇＫ＋（ｎ－１）１９７ｌｇｒｌ。与ｌｇｙ表现为线性关系，用ｌｇｔｌ。对１９７作图，可得Ｋ和ｒｌ值。根据流动过程中聚合物粘度与应力或应变速率的关系，可将聚合物流体分为两大类：（１）牛顿流体，其剪切粘度与剪切速率成正比关系；（２）非牛顿流体，其剪切粘度与剪切速率不呈比例关系，剪切粘度对剪切作用有依赖关系。由于大分子的长链结构和缠结，聚合物熔体、溶液和悬浮体均为非牛顿流体。非牛顿流体根据其流动性质的不同又可分为３ｌ（３．４）硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究假塑性流体、胀塑性流体、宾汉流体等。假塑性流体的表观粘度随剪切速率的增大而下降。大多数聚合物材料属于假塑性流体，ｎ＜ｌ，假塑性流体的形成原因是：当缠结的聚合物大分子受应力作用时，其缠结点就会被解开，所受的应力越大，则被解开的缠结就越多，同时解开的缠结点的大分子还沿着流动方向取向成线状，大分子发生相对运动，内摩擦力就较小，宏观上表现就时表观粘度下降。假塑性流动在聚合物加工中非常普遍，常常利用聚合物的这一性质改善聚合物复合材料的Ｎ－ｒ工艺，如在挤出成型过程中，在不增加温度的情况下，适当提高螺杆转速，可降低聚合物熔体的剪切粘度，提高聚合物熔体的流动性。木塑复合材料体系属于假塑性流体。对于木粉这样的热敏性材料，温度和剪切速率的影响不可忽视。膨胀型流体的表观粘度随剪切速率的增大而增加。膨胀型流体多为高浓度悬浮液。宾汉流体的特征是当剪切应力超过屈服应力之后才开始流动。这类流体不多。聚合物熔体在任何给定剪切速率下的粘度主要由两个方面的因素决定：聚合物熔体内的自由体积和大分子长链的缠结。自由体积是聚合物中未被聚合物占领的空间，它是大分子链段进行扩散运动的场所。凡会引起自由体积增加的因素都能活跃大分子的运动，并导致聚合物粘度降低。另一方面大分子之间的缠结使得分子链的运动变得非常困难，凡能减少这种缠结作用的因素，都能加速分子的运动并导致熔体粘度的降低。另外，各种环境因素如温度、压力、剪切速度、低分子物质（如溶剂）等的影响。３．３．４．１偶联剂对复合材料流变性的影响偶联剂作为两亲物质，一端与木粉表面发生物理或化学作用，另一端与聚合物基体缠绕，将木粉填料和聚合物基体很好的连接起来。（１）偶联剂对复合材料剪切速率的影响选定偶联剂用量为１．５ｗｔ％的复合材料以及木粉未用偶联剂处理的复合材料进行流变测试，测试曲线如图３．３所示。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究２・８２』２２Ｇ联剂用最１．５％粉未处理蓬２‘ｏＶｆ１．８害“＇８１４２－４２．８３．２ｌｏｇＹ（Ｓ。）图３．３偶联剂处理对剪切粘度的影响偶联剂处理的木粉所制得的复合材料与木粉未处理所制得的复合材料相比，在相同的剪切速率下，具有较低的粘度值。偶联剂通常有双重反应能力，因为它们含有附属基团，能够与树脂和填料的表面反应，改善交界面两端的粘结。偶联剂能改善聚合物的结构，减小磨擦阻力，使复合材料具有较大的流动性。此外，也有可能是部分偶联剂可以扩散到高聚物基体中去，起到了内部增塑的重要作用，降低了聚合物基体相的粘度。（２）偶联剂用量对复合材料剪切速率的影响对不同偶联剂用量的复合材料进行流变测试，测试结果如图３．４所示。２．４２．１Ｇ逻一ｆ害１．５１．２２５３．Ｏ３．５ｌｏｇＹ（Ｓ一７）图３．４偶联剂用量对剪切粘度的影响硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究由图３．４可知，将木粉用不同用量偶联剂处理，添加入聚苯乙烯基体后，所得的复合材料随着剪切速率的增加，剪切粘度呈现下将的趋势，表现出切力变稀行为，具有假塑性流动特征。在低剪切速率时，高分子链段热运动支配了分子链取向的倾向。原来分子是无规分布，处于无序状态，高分子的流动处于高度阻力状态，但是当剪切速率增高至变形速率超过大分子链应力松弛时间时，防止了分子链再次缠结的可能性，而分子链开始解缠，这时分子链沿流动方向舒展伸直，从而减少了分子对滑动的阻力。树脂基体大分子逐渐从网络结构中解缠和滑移，熔体结构改变，分子间范德华力减弱，因而流动阻力减小。３．３．４．２木粉添加量对复合材料剪切粘度的影响测试温度１７５＂Ｃ下，不同木粉添加量复合材料剪切粘度与剪切速率的关系如３．５所写。２・４％２・１％％％％＋ＩＸ）ＰＧＶｆ迂１．８害１．５Ｈ１．２２．５３．０３．５ｌｏｇｙ（Ｓ１）图３．５不同木粉添加量复合材料粘度与剪切速率的关系从图３．５可以看出，任何一条曲线都表示随着剪切速率的增加，复合材料的剪切粘度下降，聚苯乙烯／木粉复合材料表现出为假塑性行为，为假塑性流体。总的来说，随着木粉添加量的增加，体系的流动阻力增加，复合材料的粘度增加。在剪切速率较低时，ｌＯｗｔ％木粉添加量的复合材料的粘度比聚苯乙烯体系的粘度要小，原因可能是前者加了润滑剂，润滑剂在一定程度上降低了复合材料体系的粘度。流体的Ｋ值是液体粘稠性的一种度量，液体越稠，Ｋ值越高。ｎ值是用来表征液体偏离牛顿型流动的程度，ｎ值偏离ｌ越远，表明液体的非牛顿性越强。根据式（３．４）计算样品的Ｋ、ｎ值，计算结果如表３．４所示。３４硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究表３．４不同木粉含量复合材料的Ｋ、ｎ值随着木粉添加量的增加，Ｋ值基本逐渐增大，表明液体的粘度逐渐增大；ｎ值逐渐增大，与ｌ的偏离程度减小，表明复合材料的非牛顿性越小。３．３．４．３温度对剪切粘度的影响在前一节的研究已经指出，木塑复合材料体系属于假塑性流体。随着温度的提高，复合材料的粘度下降。从分子运动的角度来看洲，粘度与物质流动时分子的内摩擦扩散和取向等因素有关，当温度升高时，分子链段的活动能力增加，分子受热的运动能增大，体系的熵值（ＡＳ）会增加，使分子间的相互作用力下降。体积膨胀，分子间的相互作用力减弱，宏观上表现为粘度降低，流动性增加。很多研究结果证明，聚合物所处温度超过聚合物粘流温度后，聚合物熔体的粘度随温度升高而呈指数函数的方式降低。粘度对温度的依赖关系可用Ａｎｄｒａｄｅ公式表示：式中，Ｔ１ｒ表观粘度Ｉｎｎａ＝ｌｎＡ＋ＥＴｌ／ＲＴ卜温度Ａ——温度Ｔ一一时的粘度常数Ｅｌｌ——聚合物的粘流活化能Ｒ・—气体常数Ａ、Ｒ、ｋ均为常数，用ｌ鲥。对１厂ｒ作图，在不宽的温度范围内，它可视为一直线，由此可得到复合材料的‰值。ＥＩＩ的大小反应了聚合物粘度对温度的依赖性，Ｅｌｌ越大，表示聚合物熔体对温度越敏感。为了便于研究，选择了１８６４ｓ＂１和４９０７ｓ＂１两种剪切速率下的数据作图，温度变化范围为１７５℃．２０５℃。图３．６为１８７４Ｓ“剪切速率下温度与剪切粘度关系；图３．７４０９７Ｓｄ剪切速率下温度与剪切粘度关系；表３．５为１８６４ｓ１与４０９７ｓ１剪切速率下不同木粉添加量复合材料的活化能。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究２５％２０％＾１弱奶粤，５。∞ｆ旦１．“２．０８２．１２２．１６２．２０２．２４１／Ｔ（ｘ１０啊。）图３．６１８７４Ｓ。１剪切速率下温度与剪切粘度关系Ｇ十７｜溯含量五％＋才溯含勘％＋ＰＳ邶呼蓬、－，孚普２０Ｂ２１２２１６２２０２２４１／ｒ（ｍｅ勘１图３．７４０９７Ｓ４剪切速率下温度与剪切粘度关系从图３．６与图３．７可以看出，三种材料的温度一粘度曲线斜率都很大，表明随着温度的升高，复合体系的熔体表观粘度大大的降低。在相同温度条件下，相同温度下，加了木粉的复合材料的粘度均比纯的聚合物基体的粘度要大：木粉量的增加，增大了复合材料的流动阻力，复合材料熔体表现出更大的粘度。木塑复合材料体系粘度受温度的影响很显３６硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究著。１８６４ｓ。１和４０９７ｓ＂１剪切速率下温度与剪切粘度的关系均表明，木塑复合体系粘度对温度非常敏感，增高温度可以大大降低熔体的粘度，所以在挤出中要非常注意挤出机温度的控制与调节，因为微小的温度波动，就可能导致粘度发生很大的变化，从而影响物料的挤出稳定性。但同时还应考虑到物料的热稳定性，及木质纤维在高温下的分解与炭化。因此，木塑复合材料的制备需要通过调节体系配方和工艺条件，一方面使物料混合均匀，另一方面主要是适当的增加体系挤出时的熔体粘度，才能保证制品的挤出工艺操作和制品质量，获得性能优良的材料。表３．５１８６４Ｓ－ｉ与４０９７ｓ。１剪切速率下不同木粉添加量复合材料的活化能３．３．４．４挤出胀大研究挤出胀大现象也称巴拉斯效应或离模膨胀，是指聚合物熔体经过口模挤出后，挤出物的截面面积比口模截面积大的现象。挤出胀大现象是聚合物熔体在流动期间就存在可回复弹性变形的表现，对挤出胀大有以下两种定性的解释：第一是聚合物熔体大分子在流动过程中由于剪切作用在流动方向上取向，离模后发生解取向，引起离模膨胀，造成挤出物直径胀大；第二是熔体进入窄的口模，产生拉伸弹性变形，出口后外力解除，聚合物分子链就会由拉伸状态重新回到卷曲状态，发生出口膨胀。当口模长径比较小时，以后一种原因为主：当口模长径比较大时，则拉伸变形可在流道中充分松弛，挤出胀大以前一种原因为主。对于纯聚合物挤出胀大的行为前人己经做了不少研究。ＬｅｅＷ．Ｓｍｌ对于高聚物熔体挤出胀大的研究表明，熔体温度、口模长度、熔体停留时间都会影响挤出胀大。温度越高、停留时间越长，挤出胀大越小；口模长度增加，挤出胀大也跟着减小。用其研究的结果来指导口模形状的设计，能使挤出物得到理想的形状。ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ呻１等人利用毛细管流变仪研究了Ｐｓ和ＬＬＤＰＥ的挤出胀大现象。他们设计了两种不同的毛细管口模：一种是只有１个毛细管流道，另一种是有２个大小不同的流道。最后发现流变指数ｎ是确定产量和挤出胀大的主要参数。同时他们还利用电磁毛细管流变仪观察挤出胀大的现象，３７硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究发现在低剪切速率和低温下，磁矩对挤出胀大影响较大［Ｓ１］ｏ在挤出胀大的数值模拟方而也有不少学者做出了研究。挤出胀大通常用膨胀率（也称为膨胀比）Ｂ来表示：Ｂ＝ｄ／Ｄ（３．５）式中，ｄ一出口处测量到的挤出物直径Ｄ一毛细管直径由于毛细管直径为定值，故本实验采用聚合物离开口模的直径ｄ来表征挤出胀大。本文分别研究了木粉添加量和温度对聚苯乙烯／木粉复合材料挤出胀大行为的影响。（１）木粉添加量对复合材料挤出胀大的影响木粉添加量分别为１０ｗｔ％，１５ｗｔ％，２０ｗｔ％，２５ｗｔ％，３０ｗｔ％，偶联剂用量为木粉质量的１．５ｗｔ％。木粉添加量对复合材料的挤出胀大行为的影响如图３．８所示。２８＋ｏ（）Ｐ％２・４％％％２・０％曼伯ｑ１．２０．８２．５３．Ｏ３．５ｌｏｇＹ（Ｓ一。）图３．８木粉添加量对挤出胀大的影响从图可以看出，聚合物熔体在挤出口模后，由于外力消除，发生解取向等行为，出现挤出胀大的现象。随着剪切速率的增大，挤出胀大的现象越明显，但挤出胀大与剪切速率并不成直线关系，表明熔体流动不稳定。剪切速率的提高，会使流动中可逆弹性应变增加，流动熔体中法向应力差也随剪切速率而增大，使得出口膨胀更加严重。粘度越大，聚合物的非牛顿性越强，流动中会存在更多的可逆弹性成分，同时又因松弛过程缓慢，流出管口的膨胀现象就越明显。相同剪切速率下，木粉添加量的增加，引起熔体粘度的增加，一定程度上抑制了聚合物挤出口模后的解取向行为，导致低的木粉含量的聚合物熔体比高的木粉含量的聚合物熔体具有更大的挤出胀大比。（２）温度变化对复合材料挤出胀大的影响３８硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究温度从１７５＂ｃＮ２０５℃变化，研究对象为２５ｗｔ％含量的复合材料和加了增塑剂（ＤＯＰ）的纯聚苯乙烯（Ｐｓ）参照样。温度变化对复合材料挤出胀大的影响如图３．９所示。由图３．９可以看出，温度对聚合物挤出胀大影响显著。随着温度的升高，聚合物熔体的挤出物直径减小，即挤出胀大行为变弱。这是因为，随温度的升高，聚合物分子运动加快，有利于熔体的弹性形变降低，从而缩短了聚合物链段的松弛时间，使聚合物流动变得容易，因而高温能降低挤出胀大效应。２・４２・２蔼２。ｏ：１・８１．８１∞１００Ｔ（口）图３．９温度对挤出胀大的影响３．４本章小结（１）复合材料断面ＳＥＭ表明，偶联剂增大了木粉与聚苯乙烯的界面结合力，提高填料在复合材料中的分散性。（２）复合材料的ＴＧ曲线显示，与木粉未处理的复合材料相比，偶联剂处理后的复合材料具有更高的热分解温度。（３）偶联剂处理后，复合材料的吸水率比木粉未处理的复合材料吸水率有所降低；随着木粉粒径的减小，复合材料的吸水率也减小；随着木粉含量的增加，复合材料的吸水率增加。（４）聚苯乙烯／木粉复合材料表现出剪切变稀的行为，具有假塑性流动特征，与未用处理剂处理的样品相比，偶联剂处理后的复合材料具有更低的粘度值。（５）研究了温度变化以及木粉添加量对复合材料粘度的影响。在同一剪切速率下，复合材料的剪切粘度随着温度的增加呈现下降的趋势。相同温度及相同剪切速率下，高填充量的复合材料具有更大的粘度。计算了复合材料的Ｋ、ｎ值及复合材料的粘流硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究活化能值。（６）探讨了木粉添加量及温度对木塑复合材料挤出胀大的影响。随着木粉含量的增加，复合材料挤出膨胀效应降低。随着剪切速率的增大，挤出胀大比增加，挤出胀大存在波动现象。随着温度的升高，复合材料的挤出胀大行为减弱。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究４聚苯乙烯／非木植物纤维复合材料初探４．１引言除了用木材制备木塑复合材料，还可以用其他植物纤维制备木塑复合材料。与木材相比，非木材植物性纤维原料具有产量大、种植面积广、易收集、价格低廉等优势。与木材一样，非植物性纤维的主要化学成分也是纤维素、半纤维素、木质素，同时还含有蜡质、果胶质等物质。不同植物纤维的化学成分比例不同。用于制作木塑复合材料的非木材植物材料主要有稻壳、稻草、麦秸、棉秆、竹粉等。使用稻壳粉作为填料，不仅资源丰富，而且成分稳定嘞１。因而近年来，稻壳大量应用于木塑复合材的生产。稻壳粉是短纤维材料，其纤维短小，平均长度只有０．３ｎｕｎ，远低于木材的纤维长度，同时稻壳表面粗糙，与塑料共混时，容易与塑料发生机械咬合，增强与塑料的界面结合力。稻壳外表面覆盖有光滑的、角质化的Ｓｉ０２膜，形成一种非极性的表层结构，在制备复合材料过程中起到一定润滑作用，挤出的产品比较密实。竹粉纤维长度较大，与木粉纤维长度相当，具有较大的长径比。理论上，纤维的长径比越大，纤维的增强作用越好，复合材料的力学性能越好。鉴于各种植物纤维都有自己的特点，有必要将不同植物纤维填料的复合材料的力学性能作一个比较。４．２实验部分４．２．１实验仪器与实验原料４．２．１．１实验仪器同２．２．１．１４．２．１．２实验原料竹粉：１００目，临安市明珠竹木粉有限公司稻壳：１００目，恒源木质纤维厂其它同２．２．１．２４．２．２试样制备同２．２．２聚苯乙烯，木粉复合材料制备方法一样。填料含量确定为２５ｗｔ％，偶联剂为填料用量的１．５ｗｔ％，基体仍为聚苯乙烯，聚苯乙烯与增塑剂的比例为９：ｌ。４１硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究４。２．３性能测定力学性能测试方法同２．２．３流变性能测试方法同３．２．２４．３结果与讨论４．３．１力学性能图４．１，４．２，４．３分别为聚苯乙烯／稻壳、聚苯乙烯／竹粉、聚苯乙烯，木粉三种复合材料的拉伸强度、弯曲强度和无缺口冲击强度的比较图。３０餐魁骥２５岳箱２０１２３１一稻壳；２－木粉；３一竹粉图４．１三种填料复合材料的拉伸强度比较Ｖ餐７０世想鲁静６０５０４０１２３卜稻壳；２一木粉；３一竹粉图４．２三种填料复合材料弯曲强度比较硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究从图４．１和４．２可以看出，三种复合材料中，聚苯乙烯，木粉复合材料和聚苯乙烯，竹粉复合材料的弯曲强度和拉伸强度均差不多，而稻壳，聚苯乙烯复合材料的拉伸强度和弯曲强度较小，比聚苯乙烯／木粉复合材料的拉伸和弯曲强度分别小了４ＭＰａ和２０ＭＰａ，这可能与纤维的长度有关。根据纤维增强复合材料机理，纤维越长，长径比越大，纤维在树脂中交织的就越好，在被树脂浸润良好的情况下，增强作用越明显，复合材料的拉伸及弯曲强度就越大，因而在填料相同用量下，聚苯乙烯／木粉复合材料与聚苯乙烯，竹粉复合材料的弯曲和拉伸强度均较大。ｆ目警Ｖ瑙嘿伯是口塔限１２３卜稻壳；２一木粉；３一竹粉图４．３三种填料无缺口冲击强度的比较从图４．３可以看出聚苯乙烯／稻壳复合材料具有最大的无缺口冲击强度。因为稻壳纤维较短，当受到外力冲击作用时，一定程度上能发生构象上的改变，吸收一定的能量：相对而言，竹粉、木粉纤维较长，受外力作用时很难发生构象上的改变，宏观上表现为聚苯乙烯／稻壳复合材料无缺口冲击强度较大。４．３．２流变性能研究复合材料的流变性能，可以为复合材料的加工作指导，是改性复合材料中非常重要的一步。４．３．２．１温度对不同填料木塑复合材料粘度的影响基于前一章节对聚苯乙烯／木粉复合材料有关流变性能的研究，本节研究了温度从１７５＂（２变化到２０５＂Ｃ，剪切速率４０９７Ｓｄ下，聚苯乙烯／稻壳、聚苯乙烯／木粉、聚苯乙烯／竹粉复合材料粘度的变化。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究从图４．４可以看出，聚苯乙烯／稻壳、聚苯乙烯，木粉、聚苯乙烯／竹粉复合材料的粘度对温度均有依赖性，随温度增大而减小，为假塑性流体。相同温度下聚苯乙烯／稻壳复合材料具有较小的粘度，这可能是因为稻壳中含有光滑的、角质化的Ｓｉ０２膜，起到了一定的润滑作用，造成在相同温度和相同剪切速率下，复合材料的粘度比其他两种复合材的粘度要小。１６１２１／Ｔ（ｘｌｏ。Ｘ‘Ｉ、图４．４温度对三种填料复合材料粘度的影响４．３．２．２不同填料对复合材料挤出胀大的影响图４．５是稻壳、木粉、竹粉三种填料复合材料的温度与挤出胀大关系图。２．２＾Ｖ鼋口２．０１∞１∞Ｔ（口）图４．５填料种类对复合材料挤出胀大的影响硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究从图４．５可以看出，随着温度的升高，三种复合材料的胀大行为都变弱。相同温度下，稻壳复合材料的挤出物直径最大，可能是由于稻壳纤维较短，相同温度下复合材料的粘度较小，导致复合材料具有较大的挤出胀大比。４．４小结（１）制备了聚苯乙烯／竹粉复合材料、聚苯乙烯，稻壳复合材料，并将三种填料的聚苯乙烯复合材料力学性能进行比较。结果表明，三种复合材料中，聚苯乙烯／稻壳复合材料具有最小的拉伸和弯曲强度，最大的无缺口冲击强度。（２）相同温度和剪切速率下，聚苯乙烯／稻壳复合材料熔体粘度最小，挤出胀大比最大。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究５结论５．１实验结论本文用熔融共混法制备了聚苯乙烯／植物纤维复合材料，研究了木粉的干燥条件和表面处理，确定了合适的偶联剂及其最佳用量：考察了木粉添加量及木粉粒径对复合材料力学性能的影响规律。用ＳＥＭ表征了木粉在树脂基体中的分散状态。研究了聚苯乙烯，木粉复合材料的剪切粘度随剪切速率的变化规律，以及温度变化对于复合材料流变性及挤出账大的影响。初步探讨了并比较了聚苯乙烯／稻壳、聚苯乙烯／木粉、聚苯乙烯／竹粉复合材料力学性能及流变性能。（Ｉ）研究了木粉的干燥条件，确定了本次实验所用木粉的干燥温度和干燥时间分别为１２０℃和６ｈ。（２）比较了不同偶联剂处理木粉的效果。比较发现，ＹＤＨ．５５０处理木粉效果最好，复合材料具有最大的拉伸强度；进一步研究，确定ＹＤＨ．５５０最佳用量当为１．５ｗｔ％，此时复合材料的拉伸强度及断裂伸长率均达到最大值。（３）当木粉粒径在１００目（１６５１ａｍ）左右，复合材料具有最大的拉伸强度。当木粉用量为２５ｗｔ％时，复合材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度。无缺口冲击强度随着木粉粒径的增加或木粉含量的增加而减小。（４）复合材料的ＳＥＭ表明，木粉用偶联剂处理后，木粉与树脂的界面模糊，偶联剂提高了木粉与树脂基体的相容性。（５）与木粉未处理的复合材料相比，木粉经偶联剂处理复合材料的粘度降低，添加木粉的样品随剪切速率的增大，表现出了切力变稀的行为，具有假塑性流体特征。复合材料的粘度随着木粉添加量的增加有增大的趋势。随木粉含量的增加，挤出胀大比减小。随着剪切速率的增加，挤出胀大比增加。随温度的升高，复合材料的粘度下降，挤出胀大比减小。计算出了复合材料的粘流活化能。（６）研究了填料种类对复合材料力学性能和流变性能的影响。结果表明，由于纤维短小，聚苯乙烯／稻壳复合材料具有最小的拉伸和弯曲强度，最大的无缺口冲击强度；相同温度和剪切速率下，聚苯乙烯／稻壳复合材料熔体粘度最小，挤出胀大比最大。５．２进一步研究和展望本文成功制备了性能比较优良的木塑复合材料，但仍有许多问题有待进一步研究：（１）木粉的高填充。本次实验由于实验条件的，只研究Ｔ３０ｗｔ％木粉含量，这硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究样的木塑复合材料成本还较高，因而木粉的高填充有待于方法改进后进一步研究（２）木塑复合材料密度较大，在一定程度上了其应用。由于实验条件等客观原因，未能将发泡工作开展起来。对木塑复合材料进行微发泡很有意义也很有挑战性，有必要在下一阶段将这一工作开展起来。硕士论文聚苯乙烯／植物纤维复合材料的制备与性能研究参考文献１李人纲，周敏，许小君．木塑复合材的产品性能及其应用前景［Ｊ】．机电信息．２００５，５：４７－４９．２江波，许澍华，张金斌．木塑复合材料成型技术装备的研究现状和发展方向．橡塑技术与装备阴．２００５，３３（３）：４－１３．３王少龙，周龙．木塑复合材料的研究进展叨．材料导报．２００５，１９（１）：６８．７０．４王立，宋国君，王海龙，李培耀．热塑性木塑复合材料研究进展【Ｊ】．化学推进剂与分子材料．２００６，４（３）：１０．１２．５ＢｌｅｄｚｋｉＡＩＬＲｅｉｈｎｋ锄ｅＳ．ＧａｓｓａｎＪ．Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｗｏｏｄｐｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ阴．ＰｏｌｙｍｅｒＰｌａｓｔｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｎｇ．１９９８，３７（４）：４５１－４６８．６林建国，浦鸿汀．木塑复合材料的研究和应用进展忉．广东塑料．２００６：１７．２０．７ＪＭＦｅｌｉｘ．ＰＧａｔｅｎｈｏｈｎ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｒａｎｓｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｎｉｎｔｅｒｆａｅｉａｌａｄｈｅｓｉｏｎｉｎｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＳｃｉ．１９９４，２９（１１）：３０４３・３０４９．ｆｉｂｒｅｓ［Ｊ］．ＰｒｏｇＰｏｌｙｍ８ＢｌｅｄｚｋｉＡＫ，ＧａｓｓａｎＪ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｗ．ｅｄｗｉｔｈｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂａｓｅｄＳｃｉ．１９９９，２４（２）：２２１－２７４．９乌义明．植物纤维化学［ＭＩ．中国轻工业出版社．１９９１（２）．１０李思良，刘易凡．植物纤维／热塑性树脂复合材料的研究［Ｊ】．塑料工业．１９９９，２７（１）：１４．１１范宏，方征平，陈晓兵．木粉填充聚乙烯复合材料的研究【Ｊ】．合成树脂与塑料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作者：

学位授予单位：

陈辉

南京理工大学

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