巴旦木壳/高密度聚乙烯基复合材料性能研究

作     者：李学敏 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王伟宏

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：巴旦木壳 高密度聚乙烯 复合材料 阻燃性能 理化性质 

摘      要：巴旦木壳(Als)是食品加工剩余物,产量巨大,2015/16年产季全球巴旦木产量总计达到100万吨,其中壳体占35%-70%即38.50-77万吨。通常壳体处理方式是丢弃或者焚烧,这样不仅污染环境而且浪费资源。本论文的目的是研究巴旦木壳增强高密度聚乙烯(HDPE)复合材料制备技术,进而开发阻燃型复合材料。首先利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶红外变换光谱(FTIR)等手段分析了巴旦木壳理化性质;然后研究了巴旦木壳尺寸、巴旦木壳与高密度聚乙烯比例和制备方法对巴旦木壳增强HDPE复合材料性能影响,并采用单板贴面增强其力学性能;最后利用巴旦木壳的孔隙结构,将巴旦木壳用阻燃剂(FRW)浸渍处理之后制备阻燃型巴旦木壳/HDPE复合材料。研究结果为有效利用巴旦木壳提供了新途径,有助于减少生物质资源浪费和环境污染。(1)巴旦木壳理化性质的研究:巴旦木壳孔隙结构发达,且表现出不同尺度,大孔直径为300-1500μm,小孔直径40-60μm。主要构成元素包括C、O、N、Si,纤维素、半纤维素和木质素各占38.47%、28.82%、29.54%,纤维素纤维属于纤维素I型,结晶度为32.88%。巴旦木壳的碱抽提物含量最高,为14.03%,其次是苯醇、热水、冷水抽提物,分别为8.00%、4.64%、3.14%。由苯醇提取物分析可知,巴旦木主要含有16种有机化合物,如环烷烃化合物、酯质、烯烃类化合物和苯类化合物。巴旦木壳热降解时主失重峰出现在335℃,肩峰出现在260℃。(2)巴旦木壳/HDPE复合材料制备方法研究:巴旦木壳与高密度聚乙烯比例和制备方法对复合材料性能有显著影响,巴旦木壳:HDPE为6:4时复合材的吸水性、密度、力学性能、动态力学性能都高于7:3的。巴旦木壳碎料尺寸对复合材料的力学性能影响较小,但是对吸水性、密度和动态力学性能较大。随着巴旦木壳尺寸减小,巴旦木壳/HDPE复合材料吸水性、密度和动态力学性能都随之下降。与热压成型方式相比,挤出成型方式制备的复合材料力学性能较高,密度也较高。热压方式制备的复合材料比强度和比刚度较高,但材料吸水性能也高于挤出成型复合材。使用杨木单板对巴旦木壳/HDPE复合材料贴面后复合材料力学性能得到提升,表面胶合强度为0.74MPa,经63℃水中浸泡3h后未发生剥离。(3)阻燃型巴旦木壳/HDPE复合材料制备与性能研究:将含量为5%-25%阻燃剂FRW浸入巴旦木壳,制备阻燃型复合材料。锥形量热仪(CONE)、极限氧指数仪(LOI)等手段分析结果表明,阻燃剂添加量越高巴旦木壳/HDPE复合材料阻燃性能越好,但从15%增加到25%提升幅度较小。阻燃剂较适合的添加量为15%,此时,综合力学性能也较好。随着阻燃剂FRW含量升高巴旦木壳/HDPE复合材料极限氧指数随之上升,未添加阻燃剂时氧指数为24.2%,当添加了 5%、15%、25%阻燃剂时巴旦木壳/HDPE复合材料氧指数分别增加到25.7%、26.5%、27.1%。与杨木粉/HDPE复合材料相比,巴旦木壳制备的复合材料阻燃性能更高。