竹纤维增强聚丙烯复合材料研究与应用进展

竹材是绿色、低碳、可降解生物质材料,是塑料的最佳替代品。竹纤维具有资源丰富、成本低、密度小、绿色环保、比强度高等特点,与聚丙烯复合形成的竹纤维增强聚丙烯复合材料兼有竹材和塑料的优点,是一种资源节约型和环境友好型材料,是“以竹代塑”产品开发的低碳材料来源。文中综述了竹纤维增强聚丙烯复合材料在材料特性、制备方法、性能测试等方面的研究进展,分析了目前的应用现状,提出了今后的研究重点及应用潜力,以期为“以竹代塑”创新产品研发提供参考。

竹质纤维形态对聚乳酸基竹塑复合材料性能的影响

为高值化利用竹材加工剩余物资源,以聚乳酸(PLA)为基体,竹粉纤维(BF)、竹屑纤维(BS)、竹原纤维(BN)与竹浆纤维(BP)为填料,采用密炼-注塑工艺制备了四种竹塑复合材料,研究了竹质纤维种类对其结构与性能的影响。研究结果显示,BP与BN纤维长径比更大,BS中颗粒形态较多,BF与BS质地较刚硬。BF、BN与PLA共混熔体的混炼扭矩更大,PLA/BP复合材料吸水率最大。BF,BS,BN与PLA的界面相容性较好,其添加改善了复合材料的力学性能,而BP添加降低了复合材料的力学性能。与PLA相比,在纤维质量分数为30%时,PLA/BF,PLA/BS与PLA/BN复合材料拉伸强度分别提高了17.85%,13.6%,11.89%,冲击强度分别提高24.33%,18.70%,35.57%,弯曲强度分别提高19.45%,21.45%,4.99%。PLA/BF复合材料的综合力学性能最优,其次为PLA/BS复合材料,PLA/BP复合材料最差。研究可为竹塑复合材料的开发与应用提供有益参考。

基于竹粉表/界面调控的竹塑复合材料的制备及性能分析

为改善竹粉与非极性聚合物之间的界面相容性,以NaOH溶液及甲基三甲氧基硅烷(MTMS)对竹粉进行协同改性,然后与线型低密度聚乙烯(LLDPE)均匀混合热压制备了竹塑复合材料(BPC)。对改性前后竹粉的化学结构、润湿性及所制备BPC的力学性能、断面形貌、吸水性和尺寸稳定性进行了分析和表征。结果表明,经NaOH溶液处理的竹粉其亲水性增强,结晶度增加,用MTMS进一步改性后其表面引入了低表面能的Si—CH_(3)基团,竹粉由亲水性转变为疏水性;NaOH与MTMS协同改性竹粉与未改性竹粉制备的BPC相比,其抗拉强度和静曲强度分别提高了29.5%、28.6%,吸水率由16%下降到8%,24 h吸水厚度膨胀率由3.4%下降到1.3%。

固定化漆酶介体系在竹塑复合材料界面改性中的作用机制

采用固定化漆酶与多巴胺协同改性竹纤维,固定化漆酶催化氧化竹纤维表面形成活性位点,在竹纤维表面构筑了微纳米多尺度疏水结构,改善了竹纤维与聚β—羟基丁酸酯(PHB)的界面相容性,其制备的竹塑复合材料的冲击性能、拉伸性能和弯曲性能分别提升了23.10%、25.00%、29.14%。同时固定化技术能够克服漆酶回收困难的问题,经过两次改性竹纤维后的固定化漆酶酶活回收率达15.79%,实现竹塑复合界面生物酶促增容工作高效化、可循环化。

碳化硅对聚氯乙烯/竹粉复合材料性能影响

为比较碳化硅(SiC)含量对聚氯乙烯(PVC)/竹粉木塑复合材料性能的影响,以竹粉为木质纤维,PVC为基体材料,用挤出成型方法制备了不同含量SiC的PVC/竹粉复合材料,对其力学性能、摩擦磨损性能及蠕变性能测试分析。结果表明:当SiC质量分数为3%时,PVC/SiC/竹粉复合材料拉伸强度和冲击强度性能较好,较未添加SiC的PVC/竹粉复合材料分别高出29.0%,4.2%;SiC质量分数为3%时,摩擦系数、磨损失重率最小分别为0.428 5,0.151%;添加1.5%SiC的PVC/竹粉复合材料弯曲强度最高,为36.6 MPa。蠕变应力值为3.552 8 MPa时,SiC含量对PVC/竹粉木塑复合材料应变影响相近,其中,PVC/竹粉/1.5%SiC复合材料应变值最小;应力值为7.105 6 MPa、10.658 4 MPa时,PVC/竹粉/3.0%SiC复合材料应变值最小。

玻璃纤维增强复合材料加固原竹螺栓组合节点的抗剪性能

在竹建筑结构中,最常见的螺栓连接节点经常出现顺纹劈裂。通过试验研究了包裹玻璃纤维复合布材(glass fibre reinforced plastics,GFRP)后对于不同螺栓组合节点抗剪承载力的提升效果及加固后抗剪承载力的影响因素,以期为今后工程中竹结构螺栓组合节点的设计与应用提供参考。选取无裂缝无竹节的竹筒,制备单螺栓连接、双螺栓平行连接下的原竹螺栓组合节点试件,不加固组无处理,加固组采用GFRP包裹增强,用单轴压缩试验方法加载。比较加固前后组合节点和GFRP增强节点之间的等效抗剪强度和破坏模式,得出竹筒直径、螺栓直径、螺栓端距和根数对于GFRP增强效果和极限承载能力的影响。GFRP的包裹约束使得节点避免脆性开裂,屈服应力和等效抗剪强度分别提升5.84%~28.46%和7.59%~29.77%。GFRP加固对组合节点的等效抗剪强度提升效果与螺栓直径、竹筒外径、螺栓端距正相关,与螺栓根数没有显著关系。螺栓直径和竹筒外径是影响等效抗剪强度的主要因素。GFRP包裹增强的组合节点等效抗剪强度按照Johansen螺栓屈服模型拟合计算得到的误差平均绝对值为6.4%,在工程中可以用于简化计算。GFRP包裹能有效提升原竹螺栓组合节点的等效抗剪强度,使节点破坏模式由脆性开裂破坏变为延性受压破坏。螺径、螺栓根数、竹筒外径的增大能提升GFRP加固节点承载力和GFRP的承载力增强效果,螺栓端距增大对承载力无显著影响。GFRP加固节点的承载力可以通过螺栓屈服计算模型拟合而较为准确地预测。

丁苯橡胶对竹粉/高密度聚乙烯复合材料冲蚀磨损特性的影响

为制备适用于海岸工程领域的高耐冲蚀型木塑复合材料,基于旋转射流技术研究了丁苯橡胶(SBR)对竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料冲蚀磨损特性的影响。结果表明,引入SBR可以提升竹粉/HDPE复合材料的硬度和冲击强度(硬度最大增幅1.3%、冲击强度最大增幅18.8%),并优化竹粉/HDPE复合材料中纤维和基体的两相界面质量。较之未引入SBR的竹粉/HDPE复合材料,引入SBR的竹粉/HDPE复合材料的抗冲蚀性显著提升,其最大冲蚀率发生于冲蚀靶距1.0 cm和冲蚀时间180 s处。较之未冲蚀面,竹粉/HDPE复合材料冲蚀面主要表现出纤维破碎和基体脆性断裂,以及氧含量相对增加和羟基伸缩振动加强等磨损特征。引入SBR不改变旋转射流对竹粉/HDPE复合材料的冲蚀机理。

聚丙烯/高密度聚乙烯混炼对竹木塑复合材料性能的影响

用聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)共混制备竹木塑复合材料,研究其对复合材料力学性能和微观结构的影响,同时对比竹粉与木粉对材料性能的影响。结果表明:竹塑复合材料的拉伸强度较高;加入一定量的高密度聚乙烯可以提高聚丙烯/竹粉复合材料的冲击和弯曲强度;竹粉与塑料的相容性比木粉好,木塑复合材料的主要破坏形式是木粉与塑料的脱粘。

可逆热致变色竹塑复合材料的性能

利用色差计、万能试验机、流变仪表征复合材料的物理、力学及流变性能,比较并分析变色微胶囊和复合材料在不同温度下的紫外光谱数据。研究结果表明,复合材料的颜色随着温度的升高而变浅,人的视觉能够明显察觉,钛白粉使得竹塑表面的L*值和ΔE增大;复合材料能够随着环境温度变化而改变太阳反射比;钛白粉不影响材料的拉伸强度、弯曲强度和熔体流变性能,但会使得材料的冲击韧性、G′和tanδ略有提高;紫外光谱分析说明变色微胶囊具有良好的变色可逆性,且将其加入到竹塑复合材料并不影响其变色效果,但经100次25℃～80℃循环处理之后,变色的敏感度下降。

竹粉含量对竹塑复合材料性能的影响

采用不同比例的竹粉制备竹粉/高密度聚乙烯复合材料,研究其对于复合材料性能的影响。结果表明:复合材料的断裂伸长率有先减小,后增大的变化趋势;拉伸强度则先增大后减小。竹粉质量含量为40%,断裂伸长率达到最小值,拉伸强度达到最大值。冲击和弯曲强度有所提高,竹粉含量增大,复合材料的熔体指数逐渐减低。

竹原长纤维制备及其增强聚丙烯复合材料研究

为开发适用于汽车内饰件的竹纤维增强复合材料,以福建省资源丰富的绿竹和聚丙烯膜(PP)为原料,通过分析碱液预处理工艺对竹片得率、竹纤维得率和白度等的影响,优化预处理工艺,制备生产效率高、长径比大的竹原长纤维(LBF);进一步研究热压工艺参数和LBF添加量对LBF/PP复合材料物理力学性能的影响,确定较佳的热压工艺和原料配方。实验结果表明:在处理温度100℃条件下,采用10%(质量分数)氢氧化钠、处理时间180 min的工艺预处理制得的LBF较竹片中的纤维素含量增加,木素含量下降,结晶度增大;LBF纤维平均长度为25.79 mm,长径比为173.02∶1.00,拉伸强度和拉伸模量分别为584.85 MPa和45.41 GPa。热压温度190℃、热压压力8 MPa、热压时间20 min、LBF质量分数为50%时,LBF/PP复合材料力学性能和耐水性能较佳,其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度分别达到31.55 MPa、46.11 MPa、2833.80 MPa和28.55 kJ/m^(2),24 h的吸水率和厚度膨胀率分别为14.19%和8.11%,可应用于硬质仪表板、杂物箱等汽车内饰件。扫描电镜结果显示,纤维表面粗糙,热压过程使熔融状态的PP渗透到LBF表面的孔隙,形成较好的物理机械结合。

竹塑复合材料界面改性研究现状及展望

竹塑复合材料(Bamboo-Plastic Composites,BPC)是木塑复合材料范畴内的新兴产品,是一种绿色、可循环利用的环境友好型生物质复合材料。现阶段对竹纤维与塑料进行界面改性以提升材料性能是BPC研究领域的热点方向,主要阐述了近年来竹塑复合材料界面改性研究的现状与进展。从纤维预处理改性、聚合物改性、助剂增容改性3个方面对国内外BPC界面改性研究现状进行了概述;从性能评价手段、生产工艺、产品质量控制等方面归纳了BPC界面改性研究存在的不足;同时从成本控制、界面改性机理探索、数学模型验证等角度对BPC界面改性的发展趋势进行了展望。

竹塑增强复合材料的研究进展及加工现状

从复合机理、制备工艺等方面,对竹塑增强复合材料的研究进展进行综合评述,并对其加工现状以及加工中的技术难点问题进行分析,提出竹塑增强复合材料的发展趋势,为竹塑增强复合材料的研究与开发提供参考。

竹原纤维/可生物降解塑料复合材料的性能研究

通过热压成型制备了竹原纤维增强可生物降解塑料复合材料,研究了材料的力学性能、热稳定性、断裂面的微观结构等,以及复合材料的微生物降解性能。研究结果表明,复合材料的拉伸强度和弯曲强度随竹原纤维含量增加而增加,当竹原纤维质量分数为16.67%时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度较纯可降解塑料分别增加46.9%和93.1%,但断裂伸长率和冲击强度随着竹原纤维含量增加而降低。复合材料的热稳定性比纯可降解塑料和竹原纤维更好。在土壤微生物的作用下,复合材料在20 d时间的降解率可达19.4%。

不同含量POE增韧竹塑复合材料的力学和动态力学性能

为研究增韧剂聚烯烃弹性体(Polyolefin elastomer,POE)对竹粉/高密度聚乙烯复合材料(竹塑复合材料,BPC)的增韧作用,制备了高性能竹塑复合材料。在竹塑复合材料中分别添加不同含量的POE制备试样,对制备的试样进行力学性能测试和动态热力学分析。力学性能测试结果表明,随着POE含量的增加,竹塑复合材料的冲击强度明显增大,但拉伸强度和弯曲强度均减小,当POE含量为40%时,竹塑复合材料的冲击强度最好;动态热力学分析结果表明,随着POE含量的增加,竹塑复合材料的韧性增强,当POE含量为40%时,竹塑复合材料的韧性最强。

不同改性方法对竹塑复合材料拉伸性能的影响

研究了纳米碳酸钙浸渍改性对单根竹纤维表面碳酸钙附着情况、拉伸性能以及竹纤维/聚丙烯复合材料拉伸性能的影响,并将改性效果与纳米碳酸钙原位沉积改性进行对比。结果表明,纳米碳酸钙浸渍改性可以使碳酸钙颗粒均匀填充竹纤维表面微孔、褶皱等缺陷部位,附着的碳酸钙颗粒粒径均匀,分散性较好,附着量达到21.39%。经浸渍改性的单根竹纤维力学性能有所提高,拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率分别提高了15.98%、22.15%和5.21%,但提高幅度低于原位沉积改性。分别将纳米碳酸钙浸渍、原位沉积改性竹纤维与聚丙烯薄膜制成竹塑复合材料,通过断面形貌观察发现两种改性方法均可改善竹纤维与聚丙烯的界面结合性能,复合材料拉伸性能相应提高,浸渍改性使复合材料拉伸强度和弹性模量分别提高了6.95%和15.80%,原位沉积改性分别提高18.68%和25.41%。虽然浸渍改性效果低于原位沉积改性,但工艺更简单。

复合阻燃型PE–HD/竹粉木塑复合建筑模板料制备

以高密度聚乙烯(PE–HD)和竹粉为原料,以马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)为共混增容剂,以膨胀石墨和三聚氰胺为阻燃剂,利用熔融共混法制备了一种阻燃型PE–HD/竹粉木塑复合材料。当体系中PE-g-MAH的质量分数为3%时,随着竹粉用量增加,复合材料的拉伸强度和冲击强度得到明显改善。与单一组分的阻燃剂相比,膨胀石墨/三聚氰胺复合型阻燃剂的阻燃效果更好,而且阻燃剂的添加不仅未对复合材料的力学性能产生不良影响,还在一定程度上降低了复合材料的吸水率。当PE–HD/竹粉/PE-g-MAH/膨胀石墨/三聚氰胺的质量比为60/27/3/5/5时,相应的木塑复合材料的拉伸强度为31 MPa,断裂伸长率为340%,缺口冲击强度为53.0 kJ/m^2,吸水率为5.03%,极限氧指数为30.2%。

竹颗粒/LDPE复合材料增韧工艺参数研究

研究了竹颗粒/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的增韧技术,以解决竹颗粒模压制品柔韧性差,运输易碎的问题。采用三因素五水平的二次回归正交旋转组合试验,以热压时间、LDPE用量和偶联剂用量为影响因素,以通过平板热压制得的竹塑复合板弹性模量为试验指标建立二次回归数学模型,分析三因素对试验指标的影响规律和主次顺序;利用非线性优化方法,确定试验参数范围内竹塑复合板具有最佳韧性的工艺参数组合。结果表明,当热压时间为4.90 min,LDPE质量分数为30.63%,偶联剂用量为13 phr时,竹塑复合板的弹性模量为4 274.353 MPa,与优化条件下的试验验证值的相对误差1.07%。

竹材碎料表面处理对竹塑复合材性能影响的研究

笔者以竹材碎料和热塑性废塑料为原料,通过热压方式将其加工成竹塑复合材,分别比较了竹材碎料表面高温处理、聚乙烯醇处理、马来酸酐处理、酯化处理、酚醛树脂处理对竹塑复合材物理力学性能的影响。结果表明:酚醛树脂和马来酸酐处理对竹材碎料与塑料结合界面有明显的改善作用,提高了竹塑复合材的物理力学性能,酚醛树脂处理后竹塑复合材的静曲强度为14.1MPa,弹性模量为2.4GPa,拉伸强度为6.8MPa,马来酸酐处理后竹塑复合材的静曲强度为14.9MPa,弹性模量为2.5GPa,拉伸强度为6.5MPa。

增韧剂对竹塑复合材料性能的影响

为研究聚烯烃弹性体(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、苯乙烯系热塑性弹性体(SBS)3种增韧剂对竹粉/高密度聚乙烯复合材料的增韧机理,制备韧性较好的竹粉/高密度聚乙烯复合材料;分别加入不同质量分数的POE、EPDM、SBS制成竹粉/高密度聚乙烯复合材料试样,并对其进行力学性能和流变性能测试。力学性能测试结果表明:随着3种增韧剂质量分数的增加,复合材料的冲击强度均明显增大,拉伸强度和弯曲强度均减小。当POE、EPDM质量分数为30%,SBS质量分数为40%时,复合材料的冲击强度最好;流变性能测试结果表明,低频区复合材料的储能模量和损耗模量总体随着增韧剂质量分数的增加而增大,说明随着增韧剂质量分数的增加,复合材料的黏弹性增强。