芯壳结构木塑复合材料是一种兼有几种不同材料性能的新型环保复合材料,通过芯、壳层材料的合理设计,可得到优良性能或功能性复合材料。本文以上述研究思想为出发点,以竹制浆产生的两种主要剩余物竹屑和白泥为主要原材料,采用共挤出技术制备芯壳结构竹塑复合材料。首先研究剩余物主要成分及其高密度聚乙烯(HDPE)复合材料性能,其次研究芯壳结构竹塑复合材料的制备与性能,最后系统分析了壳层材料对芯壳结构竹塑复合材料性能的影响。研究内容和结论如下:剩余物及其HDPE复合材料的研究。剩余物形态及主要成分分析;以HDPE为基体,利用竹浆纤维、白泥和纳米碳酸钙制备HDPE复合材料,研究HDPE复合材料的性能。研究发现,白泥的主要成分是碳酸钙,其粒径主要分布在700nm到50μm之间,竹屑纤维长径比较小,其粒径主要在25-75μm和大于425μm;3种原料均能够提高HDPE复合材料的弯曲性能,但会损失冲击强度,加入10%的纳米碳酸钙可以改善综合性能。动态热机械分析(DMA)表明,加入白泥、纳米碳酸钙和竹浆纤维,HDPE复合材料刚性显著提高,储存模量提高和损耗因子降低体现了3种原料对复合材料增韧作用减弱。芯壳结构竹塑复合材料物理力学及热稳定性研究。以竹屑/HDPE为芯层材料,HDPE复合材料为壳层材料,通过共挤出工艺制备芯壳结构竹塑复合材料,考察纳米碳酸钙,竹浆纤维及白泥质量分数对芯壳结构竹塑复合材料物理力学和热稳定性的影响。研究发现,与非芯壳结构竹塑复合材料相比,在密度一致的情况下,芯壳结构竹塑复合材料的弯曲、拉伸、冲击性能均有显著提高;长期浸水试验表明,芯壳结构竹塑复合材料具有优异的耐水性;TG分析表明,壳层材料对芯壳结构竹塑复合材料的初始分解温度影响显著,但是峰值温度几乎没变,说明对其热稳定影响较小。芯壳结构竹塑复合材料的热解动力学分析表明,在此试验条件下,竹浆纤维和纳米碳酸钙的质量分数分别为10%、15%时,芯壳结构竹塑复合材料的平均表观活化能较高,壳层加入白泥对复合材料的平均表观活化能无明显影响,说明对其热稳定性影响较小。芯壳结构竹塑复合材料微观结构与其力学性能定量表征。利用纳米压痕技术测试了复合材料的力学特性,基于图像处理技术提取颗粒分布指数A、颗粒平均面积AD和标准差SD,利用分形维数D探讨了复合材料微观结构与冲击性能的关系。研究发现壳层材料对芯壳结构竹塑复合材料的弹性模量和硬度因芯、壳层及芯-壳部位有所差异,且塑性变形能力也有所差异;综合评价得出纳米碳酸钙含量为5%,白泥质量分数为15%时颗粒的分散和分布较好;芯壳结构竹塑复合材料冲击断口的表面分形维数数值介于2.1610~2.2204之间,表明复合材料冲击断口的表面形貌具有显著的分形特征。4种芯壳结构竹塑复合材料冲击强度与断口表面分形维数之间呈近似指数函数关系,说明断口的表面分形维数能有效地反映芯壳结构竹塑复合材料的力学性能。芯壳结构竹塑复合材料动态热机械性能研究。利用接触角和DMA对其界面相容性进行了表征。研究发现在纳米碳酸钙含量5%,竹浆纤维和白泥含量为20%时,壳层材料的表面自由能与芯层材料的表面自由能比较接近,说明此配比的芯壳层材料界面结合较好;1Hz频率下DMA表明:在-20-50oC之间,在竹浆纤维和白泥含量分别为15%时,芯壳结构竹塑复合材料的储存模量较高,加入纳米碳酸钙的芯壳结构竹塑复合材料的储存模量下降。当白泥和纳米碳酸钙含量为15%时,复合材料的界面相互作用参数B值显著增大。壳层材料对芯壳结构竹塑复合材料的玻璃化转变温度和损耗因子有一定影响;多频条件下DMA表明:在45oC(玻璃态)时,复合材料的储存模量对频率的依赖性随着壳层中填料的质量分数增加呈现出先增加后减小的趋势,在橡胶态时,对频率的依赖性无明显规律。竹浆纤维的含量对芯壳结构竹塑复合材料的玻璃化转变表观活化能(Ea)影响较大,白泥的含量对Ea的影响较小。根据复合材料损耗因子混合法则,通过界面参数A值定量表征了壳层材料对芯壳层之间的界面结合状态的影响。芯壳结构竹塑复合材料耐磨和耐老化性能研究。对比分析沙林树脂基及HDPE基芯壳结构竹塑复合材料的耐磨性能及耐老化性。研究发现,相对于纯HDPE,10%的纳米碳酸钙及20%的白泥颗粒加入后复合材料的磨损率下降了近1/4,当壳层为沙林树脂时,复合材料的耐磨性能并未显著提高;7个循环周期,-22-23oC、-22-52oC 2种不同循环温度的冻融试验后,两种复合材料的材色和重量变化较小;氙灯加速老化的前800h非芯壳结构竹塑复合材料表面粗糙度、明度和色差均呈增加趋势,但芯壳结构竹塑复合材料的增加较为缓慢;FTIR测试结果表明,复合材料经过1050h氙灯加速老化后,其表面也发生了化学变化。