竹造纸剩余物/HDPE复合材料力学及热性能研究

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竹塑复合材料是一种新型环保复合材料,具有较高的经济价值和市场发展潜力,其发展受到国内外学者重视。竹屑和白泥是竹材制浆造纸过程中的主要固体剩余物,竹屑的主要处理方式是焚烧,白泥主要处理方式是堆放和填埋,剩余物方式造成了严重的环境负担。利用竹造纸剩余物制备高性能竹塑复合材料,变废为宝,对减轻竹造纸厂剩余物处理负担、改善环境有着重要的意义。并为竹塑复合材料提供了一种新的竹原料来源,降低了生产加工成本,从而实现了环境保护与经济效益的双赢。本文研究了竹造纸剩余物物理形貌、化学组成,并对比分析了竹屑作为竹塑复合材料增强相可行性,在此基础上,进一步探讨了竹屑添加量、竹屑与竹浆纤维混合配比、白泥添加量对竹塑复合材料力学及热性能的影响;同时,制备了芯壳结构竹塑复合材料,对比了芯壳结构和非芯壳结构力学性能,以及表层材料对芯壳结构复合材料力学性能影响,为提高竹屑利用率、优化产品性能提供借鉴。论文的主要结论如下:(1)竹屑增强高密度聚乙烯(HDPE)复合材料有较好的力学和热性能。与常规的竹粉-HDPE复合材料相比,拉伸强度和模量分别提高了45.94%和114.09%,弯曲强度和模量分别降低了8.08%和17.64%;其热稳定性和结晶度均优于竹粉-HDPE复合材料,起始分解温度(T5%)和结晶度比竹粉-HDPE复合材料分别提高了21.23℃和23.13%;在-130~120℃,竹屑-HDPE复合材料的储存模量和损耗模量均大于HDPE,且出现γ和力学松弛,与竹粉-HDPE复合材料相比,力学松弛峰值温度提高了10.44℃。因此,竹屑-HDPE复合材料在一定的应用领域可以替代竹粉-HDPE复合材料使用。(2)竹屑-HDPE复合材料的弯曲、拉伸性能均随着竹屑含量的增加先增加后降低。当竹屑添加量为70%时,弯曲强度较优,为44.24MPa,竹屑添加量为60%时,弯曲模量较优,为2.18GPa。竹屑添加量为70%时,竹屑-HDPE复合材料的拉伸强度和拉伸模量均在达到最优,分别为25.49MPa和4.11GPa。竹屑-HDPE复合材料的热稳定随着竹屑添加量的增加而降低。当竹屑含量为60%时,复合材料有较好的刚度和结构稳定性。(3)竹浆纤维和白泥能有效的改善竹屑-HDPE复合材料力学性能。当填充纤维总量为50%,竹屑与竹浆纤维比例为4:1时,复合材料力学性能较优,其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和拉伸模量分别为55.58MPa、2.78GPa、33.49MPa和3.55GPa,与竹屑-HDPE复合材料相比,分别提高了65.52%,92.86%、26.14%和111.56%;采用白泥改善50%竹屑-HDPE复合材料,白泥添加量为18%时,复合材料力学性能较优,弯曲强度和模量为分别为45.94MPa和3.70GPa,比未添加白泥的复合材料的弯曲强度和模量分别提高了36.81%和164.29%,拉伸强度和模量分别为22.9MPa和4.40GPa,分别比未添加白泥竹屑-HDPE复合材料提高了6.26%和64.33%。白泥对竹屑-HDPE复合材料储存模量影响显著,玻璃化转变温度以后,白泥含量对复合材料储存模量无影响;白泥含量为18%时,玻璃化转变温度比竹屑-HDPE复合材料提高了1.92℃,但对白泥-竹屑复合材料的损耗因子无影响。(4)芯壳结构竹塑复合材料弯曲性能优于非芯壳结构竹塑复合材料的弯曲性能,芯壳结构竹塑复合材料的失效模式是延性破坏,而非芯壳结构竹塑复合材料是脆性断裂。采用HDPE、竹浆纤维增强HDPE复合材料和白泥增强HDPE复合材料作表层材料分别与芯层材料为竹屑-HDPE复合材料复合制备三种不同表层材料的芯壳结构复合材料。三种材料的弯曲性强度和模量从高到低依次表层为HDPE(CSHDPE)、5%竹浆纤维增强HDPE复合材料(CSBPF)、5%白泥增强HDPE复合材料(CSWC),芯表界面结合强度对芯壳结构竹塑复合材料力学性能影响较大。表层材料为HDPE复合材料动态刚度和结构稳定性优于表层材料为5%竹浆纤维和5%白泥的芯壳结构竹塑复合材料。
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