【摘 要】
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水稻秸秆具有价格低廉,可重复利用,环保,天然可再生等优点,但在日常生产和生活中秸秆只有极少部分得到有效利用,大部分被遗弃或焚烧,不仅对环境造成严重污染而且浪费了生物质资源。此外,农业生产中大量遗弃的聚烯烃地膜,对土壤和环境造成了巨大危害。本文选取水稻秸秆作为线性低密度聚乙烯（LLDPE）的增强体,探索制备稻秸/LLDPE复合材料的新工艺。通过物理力学性能、热性能、动态力学性能测试分析等手段研究了稻
【基金项目】
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国家自然科学基金（32071704）；
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水稻秸秆具有价格低廉,可重复利用,环保,天然可再生等优点,但在日常生产和生活中秸秆只有极少部分得到有效利用,大部分被遗弃或焚烧,不仅对环境造成严重污染而且浪费了生物质资源。此外,农业生产中大量遗弃的聚烯烃地膜,对土壤和环境造成了巨大危害。本文选取水稻秸秆作为线性低密度聚乙烯（LLDPE）的增强体,探索制备稻秸/LLDPE复合材料的新工艺。通过物理力学性能、热性能、动态力学性能测试分析等手段研究了稻秸/LLDPE复合材料的成型机制;对不同工艺制备的复合材进行模压成型,并进行有限元模拟分析,探讨其作为预浸料应用的特性。本论文的主要研究内容如下。1.挤出成型稻秸/LLDPE复合材料的制备及性能研究采用多种挤出成型方式制备稻秸/LLDPE复合材料。将长稻秸平行铺放在线性低密度聚乙烯膜上,并将膜和稻秸一并卷起形成“预制卷”,秸塑比为6:4。预制卷经双螺杆熔融复合,其中一部分复合料被粉碎成颗粒,再经单螺杆挤出成型制备稻秸/LLDPE复合材料;另一部分复合料直接送入单螺杆挤出机成型。作为对比,还研究了将预制卷直接经单螺杆挤出成型制备复合材的方法。测试结果表明,三种方式中,经预制卷-双螺杆熔融复合-熔合料未粉碎-单螺杆挤出成型制备的稻秸/LLDPE复合材料物理力学性能最好,其中拉伸强度为8.60MPa,弯曲强度为18.24MPa。该方式对稻秸纤维的损伤较小,定向良好的长纤维在复合材中起到了更好的增强作用。与传统稻秸粉挤出成型制备的复合材料相比,新工艺制备的复合材热稳定性具有显著性增强,且在高温和低温下均具有较高的储能模量,复合材的刚度增大。2.热压成型长稻秸/LLDPE复合材料的制备及性能研究把长稻秸平行铺放在线LLDPE膜上,并将膜和稻秸一并卷起,之后再将预制卷铺装成板坯,采用热压成型方式制备成长稻秸/LLDPE复合板材（秸秆质量占比为60%）。采取稻秸端部斜切、稻秸搓碾、预制卷打捻三种方式进一步提高长稻秸/LLDPE复合材料的物理力学性能。稻秸斜切并施加捻度处理,所制得的长稻秸/LLDPE复合材料的物理力学性能最好。其中,拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别达到了36.56MP、33.82MPa和37.03k J/m~2。作为对比,将长稻秸与薄膜分层铺装,以相同条件制备热压成型的长稻秸/LLDPE复合板材。测试结果表明,三种处理方式均能提高复合材料的力学性能和耐水性能。与挤出成型和稻秸-薄膜层状铺装热压成型制备的复合材料相比,其力学性能具有显著性增强,说明长稻秸预制卷热压成型方式具有较大的优势。稻秸经搓碾开裂处理和稻秸斜切处理且施加捻度制备的复合材,均表现出较高的热稳定性,弹性特征更加明显,刚度增强。3.稻秸/LLDPE预浸料模压成型工艺探索及有限元模拟分析对上述工艺制备的稻秸/LLDPE复合材料进行加热模压,探索其作为预浸料应用的成型工艺,并通过有限元建模对预浸料在模压成型过程中的应力和应变进行分析。结果表明,预制卷-单螺杆挤出成型的稻秸/LLDPE预浸料和热压成型的搓碾开裂长稻秸/LLDPE预浸料均呈现良好的模压成型效果,最佳模压温度为140℃;但稻秸粉挤出成型预浸料的模压成型制件在边棱和边角处均发生破坏。这是因为前两种制备工艺保留了较多的长秸秆纤维;而打碎的稻秸粉里纤维细小、不连续,导致预浸料熔体强度不足,在模具剪切力作用下发生破坏。有限元分析表明,长稻秸/LLDPE预浸料的三点弯曲模拟应力与实际测试值吻合。
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