蒲草纤维塑化改性及其复合材料的研究

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天然纤维具有“可再生、可循环再利用”的资源利用特性,是可持续发展的绿色资源,这是石油、煤炭等终将枯竭的资源无法与之相比的。天然植物纤维主要是由纤维素、半纤维素、木质素等组成,纤维素表面有大量的游离羟基和酚羟基官能团,使得其表面表现出很强的化学极性和吸湿性。因此,天然植物纤维缺乏热塑性,不能熔融、溶解或充分软化以便浇铸、模压等成型加工。通过适当的化学改性反应如酯化、醚化等对植物纤维进行改性,可以使木材转化为热塑性高分子材料。这些热塑性材料可单独或与合成高聚物按比例混合热压加工成型为各种板材或其他成型产品,这对扩大木材的加工利用途径、充分利用木材加工剩余物、提高木材利用率等都具有十分重要的意义。本文通过蒸汽爆破技术对蒲草纤维进行蒸汽爆破预处理,然后在蒸汽爆破过程中采用硬脂酸、聚乙二醇两种塑化改性剂对纤维进行塑化改性处理,制得塑化改性纤维,再通过热压成型制备了蒲草全植物纤维复合板材。通过红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、热分析(TG和DSC)、扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)分析了蒸汽爆破处理及改性剂处理对蒲草纤维成分、结晶、热性能、纤维形貌、化学结构的影响,并考察了蒸汽爆破处理和改性剂处理对全植物纤维复合材料弯曲性能的影响,分析了两种塑化改性剂的作用方式,探讨蒸汽爆破处理和改性剂处理对纤维结构和纤维间粘合的影响。蒲草纤维经过蒸汽爆破处理,纤维的结晶度提高,蒲草原料没有明显的玻璃化转变,经过蒸汽爆破处理的纤维出现玻璃化转变温度,且随着蒸汽爆破次数的增多,玻璃化转变温度降低,蒸汽爆破5次纤维的玻璃化转变温度为154.2℃。加入硬脂酸蒸汽爆破后,硬脂酸的羧基可与纤维素、半纤维素的羟基发生酯化反应,与蒲草纤维原料相比,硬脂酸改性纤维的结晶度提高,而相对于蒸汽爆破5次处理纤维,5%硬脂酸改性纤维的结晶度降低,而10%硬脂酸改性纤维的结晶度则提高,硬脂酸改性纤维的玻璃化转变温度为153.9℃。加入PEG蒸汽爆破后,PEG的羟基能与纤维的羟基发生醚化反应,相对于蒸汽爆破5次处理纤维,PEG改性纤维的氢键作用增大,结晶度提高,PEG改性纤维的玻璃化转变温度是161.2℃。在热压过程,纤维氢键作用增强,半纤维素进一步降解,且在高温下分子链重排运动,致使热压后的纤维结晶度较未热压前提高,热压后蒸汽爆破5次纤维的玻璃化转变温度稍有降低。硬脂酸改性纤维经过热压后,硬脂酸与纤维发生进一步反应,氢键作用减弱,与热压前纤维相比较,热压后改性纤维的结晶度降低,且低于蒸汽爆破5次热压纤维的结晶度,玻璃化转变温度较热压前下降不多。PEG改性纤维经过热压后,PEG与纤维发生进一步反应,PEG改性纤维热压后结晶度大幅度增加,玻璃化转变温度比热压前升高。制备全植物纤维复合材料的热压工艺对纤维板成型和性能有很大的影响。全植物纤维复合材料的性能受纤维自身性能和纤维间粘合情况的影响,纤维的粘合主要取决于纤维间的氢键作用和糠醛类物质的缩合作用。与蒸汽爆破5次纤维热压后对比,硬脂酸改性纤维热压制备的全植物纤维复合材料性能稍有下降,PEG改性纤维制备的全植物纤维复合材料性能大幅度下降。蒸汽爆破处理和改性剂处理的蒲草纤维表现出一定的热塑性,蒸汽爆破处理对纤维的塑化作用最明显,加硬脂酸蒸汽爆破处理对纤维的塑化作用比加PEG蒸汽爆破处理好。这可能是因为加入PEG后,纤维的流动性增大,影响了蒸汽爆破过程的温度和压力等参数,致使蒸汽爆破效果较差,进而影响了纤维的热塑性和全植物纤维复合材料的性能。热压过程使纤维分子结构发生变化,各组分降解加剧,但对纤维的进一步塑化影响不大。
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