稻秸细胞壁力学性能及其纤维复合材料

1、稻秸细胞壁力学性能及其纤维复合材料    本论文以十种阔叶材和五种农作物秸秆纤维为研究对象,通过纳米压痕实验和原子力显微镜(AFM)等手段研究了纤维细胞壁的力学性能。并以其中的稻秸纤维素纤维为原料,利用高能超声波法和高压纳米均质机法分别制备了微/纳米纤丝,探讨了分别以聚丙烯(PP)和聚乙烯醇(PVA)为基体物质、以微/纳米纤丝为增强材料,制取微/纳米纤丝/PP和微纳米纤丝/PVA纳米复合材料的合成方法、工艺条件、改性剂以及微/纳米纤丝含量对纳米复合材料力学性能、热学性能和纳米复合材料界面特性的影响。本研究得到的结论归纳如下:1) SilviScan系统所

2、测得的弹性模量中,摘亚木的值最大,为35.4GPa;杨木的值最小,为14.2GPa。其中,木材密度对于弹性模量的大小,起到了关键性的作用。较高的密度对应于较高的弹性模量。并且随着木材密度的增大,弹性模量增大;而随着MFA的增加而减小。纳米压痕实验所测得的细胞壁弹性模量最大值出现在摘亚木木材样品,其数值为24.6GPa,这个数值低于由SilviScan测试系统所测得的数值(35.4GPa);细胞壁弹性模量的最低值同样出现在杨木木材样品中,其数值为16.9GPa。最小值与最大值相差的百分比为31.3%。细胞壁弹性模量随木材密度的增加而增大,随MFA的增大而减小。九个木材样品细胞壁硬度的数值在0.4

3、4-0.56 GPa范围。细胞壁的硬度与微纤丝角没有明显的相关性。2)麦秸纤维细胞壁的弹性模量值最大,为20.8GPa,豆秆和棉秆的值最小,为16.3GPa。五种农作物秸秆纤维细胞壁弹性模量的平均值为18.4GPa。五种农作物秸秆纤维细胞壁的弹性模量介于阔叶材和针叶材之间。棉秆纤维细胞壁的硬度值最大,为0.85GPa。豆秆纤维细胞壁的硬度值最小,为0.48GPa。麦秸纤维的细胞壁弹性模量和硬度高于稻秸纤维。农作物秸秆纤维细胞壁的硬度大于木材树种和再生纤维素纤维。在纳米尺度下,农作物秸秆纤维具有相对优于木材树种和再生纤维素纤维的纳米力学性能。3)经高能超声波处理后的稻秸纤维素纤维微纳米纤丝的粒径

4、分布范围在0.180m之间。直径小于500nm的纤丝占总体测试样品的6.3%;90%的微/纳米纤丝的粒径分布在7.080m范围;测试样品平均粒径为41m。经高压纳米均质机处理得到的稻秸纤维微/纳米纤丝的粒径分布范围在0.125m。直径小于500nm的纤丝占总体测试样品的16%;90%的微/纳米纤丝的粒径分布在0.725m范围;测试样品平均粒径为8.8m。未处理的稻秸纤维素纤维、高能超声波法制备的稻秸纤维素纤维微/纳米纤丝和高压纳米均质机法制备的稻秸纤维素纤维微/纳米纤丝的相对结晶度分别为71.3%、72.9%和68.0%。与未处理的稻秸纤维素纤维相比,经高能超声波法和高压纳米均质机法处理得到的

5、稻秸微/纳米纤丝的-OH特征吸收峰均向高波数移动。电子扫描电镜(SEM)的研究结果表明:经高能超声波和高压纳米均质机处理后的纤维细胞壁破碎,产生分层剥落现象,还有一些细小纤丝从纤维束中分离出来,发生一定的纤丝化作用。4)在不同的挤出合成条件下,纳米复合材料的弹性模量提高,材料的刚性增加,而拉伸强度均低于未添加增强材料的聚丙烯的强度,拉伸断裂伸长率显著降低;微/纳米纤丝的含量从2%增加到11%时,纳米复合材料的拉伸强度在微/纳米纤丝含量达到5%时出现最大值,为31.7MPa,而弹性模量在微/纳米纤丝含量达到8%时出现最大值,为1621MPa,拉伸断裂伸长率随着微/纳米纤丝的含量增加显著降低;MA

6、PP的不同含量对材料的拉伸强度和拉伸断裂伸长率没有明显的影响,在MAPP含量为4%时,纳米复合材料的弹性模量达最大值1509MPa;在高能超声波的不同处理条件的研究中发现,随着处理时间的延长,合成所得纳米复合材料的拉伸强度、弹性模量和拉伸断裂伸长率均提高,且处理浓度为1%的各项指标均高于处理浓度为0.5%的样品性能。当PP基体中引入了改性剂MAPP和RSF时,基体的红外光谱图有很大的变化。1224CM(-1),1074 CM(-1)和1028 CM(-1)的酯基(C-O-C)伸缩振动吸收峰的出现,证明MAPP的加入使PP基体与RSF具有很好的相容性。SEM的研究结果表明:微纳米纤丝被包裹在PP

7、/MAPP基体中,在拉伸实验过程中,没有从基体中被拔出,展示了很好的相容性。5)自然条件和-20冷冻-解冻循环三次条件下所得微纳米纤丝/聚乙烯醇纳米复合材料的拉伸强度均高于纯PVA薄膜的拉伸强度。并且,在-20冷冻-解冻循环三次条件下所得的纳米复合材料的拉伸强度均高于相应组分在自然条件下铸膜所得的样品。6)在自然条件下铸膜所得的微纳米纤丝/聚乙烯醇纳米复合材料在25150范围内的储能模量(E)当微纳/米纤丝的含量为2%和11%时低于纯PVA的E;在-20冷冻-解冻循环三次条件下铸膜制备的微纳米纤丝/聚乙烯醇纳米复合材料在60以下高于纯PVA的E,在60以上几乎没有明显变化。复合材料的tan与纯

8、PVA凝胶薄膜的tan相比,在整个温度范围内没有明显的差别,而T_g温度均高于纯PVA凝胶薄膜。而自然条件和-20冷冻-解冻循环三次条件下铸膜,微纳米纤丝不同含量的纳米复合材料的熔点没有太大的变化。-20冷冻-解冻循环三次条件下所得微纳米纤丝/聚乙烯醇纳米复合材料的结晶度要高于自然条件下铸膜所得微纳米纤丝/聚乙烯醇纳米复合材料的结晶度。稻秸纤维素纤维微/纳米纤丝的加入,提高了材料的热稳定性。并且-20冷冻-解冻循环三次条件下铸膜制备的各种组分样品的最大失重率温度(T_p)均高于自然条件铸膜的样品,并且随着微/纳米纤丝含量的增加T_p有不同程度的提高。微纳米纤丝/聚乙烯醇纳米复合材料的红外光谱中

9、保留了微/纳米纤丝和PVA的一些特征吸收峰,同时,由于两者在共混过程中发生了化学作用,图谱上由-OH振动引起的特征吸收峰的位置发生变化,说明微/纳米纤丝与PVA具有很好的相容性。【相似文献】1. 任杰,刘艳,唐小真.聚合物基有机无机纳米复合材料的制备和性能J.建筑材料学报, 2004,(01)2. 陈广新,郝广杰,郭天瑛,宋谋道.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的性能J.高分子通报, 2002,(02)3. 惠雪梅,张炜,王晓洁.环氧树脂/SiO_2,纳米复合材料性能的研究J.工程塑料应用, 2004,(02)4. 柯扬船.PET-层状硅酸盐纳米复合材料的结构与性能()合成制备与力学性能J.高分子材料科学与工程, 2004,(03)5. 武卫莉.纳米复合材料在橡胶工业的应用J.高师理科学刊, 2002,(03)6. 王柯,张琴,吴照勇,杜荣昵.聚丙烯纳米复合材料的研究进展J.工程塑料应用, 2001,(12)7. 张延武,范宏,李伯耿.聚烯烃纳米复合材料及其制备技术J.新型建筑材料, 2001,(06)8. 洪奕,王立新,张楷亮.聚酰亚胺/无机物纳米复合材料的研究进展J.材料导报, 2001,(01)9. 李笃信,黄伯云.聚合物/无机物纳米复合材料研究现状J.材料导报, 2002,(05)10. 徐光年