麦秸秆/HDPE复合材料的性能及纳米碳化硅改性研究

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麦秸秆是我国十分丰富的生物质资源,将其用于制备植物纤维复合材料是一种环保且经济的高值化利用方式,而对麦秸秆复合材料各项性能的探究与改性增强有助于扩大其应用范围,在植物纤维循环与资源化利用、绿色环保及新材料开发等方面具有长远的现实意义。本论文以麦秸秆纤维(WSF)与高密度聚乙烯(HDPE)为原料,通过熔融共混与立式注塑工艺制备WSF/HDPE复合材料。系统分析了不同目数WSF的纤维形态、化学结构、结晶性能与热稳定性等性能,并系统研究不同纤维含量与不同目数及纳米碳化硅(SiC)改性对WSF/HDPE复合材料力学、热稳定性、结晶与熔融、吸水、界面等性能的影响。研究结论如下:(1)目数越大,WSF的长径比越小,外形越细短。随着目数增大,WSF的极性与吸水性增强。目数增大后,WSF的结晶度与结晶尺寸均减小,且会发生纤维素Ⅰ型到Ⅱ型的晶型转变。目数增大导致WSF的活化能减小,热稳定性降低,且易形成碳残留物。(2)纤维含量增加,WSF/HDPE复合材料的拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量分别呈现降低、先提高后降低与提高的趋势。纤维目数对WSF/HDPE复合材料拉伸与弯曲强度的影响与纤维含量高低有关,而弯曲模量则是纤维目数小较高。纤维含量与目数分别为30%与60目时,WSF/HDPE复合材料的综合力学性能最佳,拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量分别为18.1 MPa、29.5 MPa、2137.9 MPa。纤维含量越高,WSF/HDPE复合材料的热稳定性越弱,但纤维目数越大,复合材料的热稳定性越强。WSF/HDPE复合材料的结晶度均随着纤维含量与目数的增加,先提高后降低。纤维含量增加会提高WSF/HDPE复合材料的吸水率、厚度膨胀率与水分子扩散系数,而纤维目数增大会降低复合材料的吸水性。WSF/HDPE复合材料的纤维含量越高,界面性能越差,但界面性能会随着纤维目数增大而改善。(3)纳米SiC改性后,WSF的表面粗糙度增加,极性减弱,而晶体类型没有改变,但纳米SiC过多会加剧团聚现象,且增强极性。WSF/HDPE复合材料的力学性能通过纳米SiC改性增强,且随着纳米SiC含量的增加,拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量均先提高后降低。当纳米SiC含量为0.4%时,WSF/HDPE复合材料具有最佳的力学性能,拉伸强度、弯曲强度与弯曲模量分别增加15.5%、11.5%与12.4%。纳米SiC改性降低WSF/HDPE复合材料的热稳定性,但提高复合材料的结晶度。WSF/HDPE复合材料的吸水性能通过纳米SiC改性降低,吸水率、厚度膨胀率与水分子扩散系数均下降,但纳米SiC过多会提高吸水性能。纳米SiC改性减少WSF/HDPE复合材料表面与拉伸断裂面的裂纹与孔洞,改善复合材料的界面性能,而过多的纳米SiC会降低界面性能。
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