建筑材料用低密度聚乙烯_木质素复合材料的特性.pdf
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1、PDF下载60合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期建筑材料用低密度聚乙烯/木质素复合材料的特郭凯(诸城市建筑业发展中心,山东潍坊262200)摘要:将低密度聚乙烯材料和木质素在马来酸酐混合条件下生成符合建筑行业需求的复合材料,分析了制备复合材料所用的木质素质量分数对复合材料最终抗腐蚀能力、保温能力、强度和热性能的影响,并通过试验获得木质素质量分数的最佳值。试验结果表明,木质素质量分数在2 0%时,复合材料的综合性能较好,且各项性能均能满足建筑材料应用特性要求。关键词:木质素:低密度聚乙烯:马来酸酐;复合材料建筑材料中图分类号:TB332文献标志码:A
2、文章编号:1 0 0 1-7 0 5 4(2 0 2 3)0 7-6 0-0 5在全球经济进一步发展的同时,各种油气资源总量在不断下降,人们面临的环境危机问题也在不断加剧。在这一背景下,人们愈发重视应用可再生的物质资源开发的各种复合材料,其中,木质基复合材料、环保型胶黏剂是建筑领域中具有良好应用前景的绿色材料。复合材料主要包含基体相和增强相,由两种以上组分共同组成。其中,基体相作为基本组分,对材料的热学性能、强度等产生直观影响,而增强相通过结合基体相结构来进一步弥补材料性能的不足,如提高材料密度。木质素属于非传统石油资源,是第二大可循环资源,广泛存在于自然界中,通过特定工艺可从木质素中提取可再
3、生芳香族物质。工业生产实践中,通常会在纸浆造纸分离纤维素过程中获取大量副产品木质素,这也是工业生产中该材料的主要来源。但实际生产过程中,很多厂家都没有注意回收利用木质素残留物,导致了这一可再生资源的严重浪费,同时也加剧了环境污染。对木质素的有效回收利用能够显著提高废物利用效率,提高行业经济效益,因而在工业生产中回收利用木质素具有鲜明的经济效益和社会效益,有利于进一步推动自然资源保护工作的深入开展2。当前,应用木质素的主要方法为通过聚烯烃和木质素混合来制备填料,这一应用具有广泛前收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 5修回日期:2 0 2 3-0 6-0 9作者简介:郭凯(1 96 9一),女,
4、汉族,山东潍坊市人,本科,高级工程师,研究方向为绿色低碳技术研究。景 3-1 。有部分学者将工业生产中获取的木质素残留物,与共聚物混合来获取复合材料,这些材料具有良好的力学性能 6-7。选用的共聚物中,聚乙烯泡沫材料导热性能良好,弹性和耐化学性都较强,已在各种轻型结构体系中得到广泛应用(8-9)。由此,可以利用工业生产中产生的木质素与聚乙烯混合,一方面达到回收废旧材料的效果,另一方面也能够制备具有良好应用效果的木质素/聚乙烯复合材料。复合材料性能好坏主要取决于其结构中基体相和增强相之间的界面相容性,木质素中含有极性基团羧基,使其能够表现出良好的亲水性和较强的极性,这和聚乙烯的非极性特点产生冲突
5、,造成两者之间的界面不相容,而这也是复合材料工业制备工艺中需要重点研究的方向。工业生产背景下,通过使用界面改性剂能强化基体相和增强相之间的复合效果,形成相对稳定的界面,进而有效提高复合材料的性能。故而,本文通过马来酸酐界面改性剂来实现对聚乙烯结构的改性,并在此基础上将其与木质素混合反应,制备聚乙烯/木质素复合材料而后探究复合材料的保温性能、抗腐蚀性能、强度特性和热学特性,并结合有关行业规范来探究该材料在建筑行业中的应用前景,以期为有关从业人员带来启发。1试验1.1原材料木质素,纯度为98%,上海阿拉丁公司。2023,52(7)61郭凯.建筑材料用低密度聚乙烯/木质复合材料的特性5621D型低密
6、度聚乙烯,中海壳牌公司。马来酸酐、二氮烯二羟酸酰胺,纯度99.0%,上海阿拉丁公司。1.2设备与检测仪器苏州市橡胶公司XSK-160型开放式炼胶机器、QLB-250/Q型平板硫化机,美国FEI公司No-vaSEM320型扫描电子显微镜,德国耐驰公司STA449F5综合热分析仪,美斯特公司CMT-5105型电子万能试验机,英国马尔文公司Mastersizer3000E型激光粒度仪,广东宏拓仪器科技有限公司HT-3682MV-BA型熔融指数仪。1.3样品制备提前预热开放式炼胶设备,预热时间3 0 min,温度1 90,而后对机器进行简单清洗,去除其中杂质。在炼胶设备中倒入准备的低密度聚乙烯,熔化5
7、 min后将提前准备、混合均匀的马来酸酐、二氮烯二羟酸酰胺和木质素倒入机器中加热混合15min,而后移出混合材料。在平板硫化机底部放置一层聚酯膜,将获取的复合制品放入其中以降低脱模难度,升温并进行压片,温度为1 5 0、压力为40 MPa、时间为1 0 min;而后将压片成品在真空条件下加热发泡,时间为3 h、温度为2 5 0,进而获取低密度聚乙烯/木质素复合板材。制备过程中二氮烯二羟酸酰胺占据混合物总质量的2%、马来酸酐占据混合物总质量的5%,在此基础上调整木质素质量分数和低密度聚乙烯质量分数,其中每组材料中低密度聚乙烯质量分数为68%、7 3%、7 8%、8 3%、8 8%,相应的木质素质
8、量分数分别为2 5%、2 0%、1 5%、1 0%、5%。1.4性能测试与表征1.4.1木质素粒径分布取木质素颗粒0.1 g,将其均匀分散在1 0 mL去离子水中并放入细胞破碎仪进行破碎,再通过超声波清洗机进行2 0 min超声清洗,即可获取木质素颗粒悬浮液。将获取的悬浮液放入马尔文激光粒度仪中进行粒径分布测试。试验过程中,由于木质素颗粒的水溶解度相对较低,因而在获取悬浮液后需要尽快进行测试,如果长期放置后才测试会影响精准度。1.4.2微观形貌在测试开始前先将试样放入液氮溶液中2 0 min冷冻处理,取出做脆断处理并暴露出截面,对纵截面喷铂金处理,而后在1 5 kV加速电压下对其断面进行微观拍
9、摄。1.4.3力学性能参照CB/T1040.12006塑料拉伸性能的测定第1 部分:总则,使用万能电子试验机对试样复合断口的拉伸变化率、弯曲强度、拉伸强度进行试验。1.4.4热导率参照GB/T102942008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法,应用热导率测试仪测量热导率,试样均制备成1 5 0 mm150mm10mm大小,同时每个配方都需要制备三个相同试样,每个配方测试三次并取平均值,确保测试效果的稳定性。1.4.5热性能将1 0 mg试样放入综合热分析仪中进行热重测量,过程中需要确保仪器中有足量高纯度氮气作保护,氮气流量3 0 mL/min,试验温度3 0 6 0 0,升温速率1
10、0 K/min1.4.6抗腐蚀性能选取最佳配比试样,分为六组,分别放入pH值为1 2、9、7、5、3、1 的溶液中浸泡,浸泡时间为7 d。浸泡完成后,进行拉伸强度和弯曲强度试验,分析其耐腐蚀性能。每组材料制备三个样本分别进行测试并取均值,以确保结果可信度2结果与讨论2.1木质素粒径分布与熔体流动指数由图1 可知,试验中的木质素粒径均值为16.91m,其中2 5%为1 0 2 0 m粒径颗粒,45%为0 1 0 m粒径颗粒,木质素颗粒的粒径分布较为宽泛。54%/业32020406080100120粒径/um图1 木质素颗粒的粒径分布复合材料熔体流动指数可对复合材料易加工能62合成纤维Synthe
11、ticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期力进行分析评价,结果如图2 所示。由图2 可知,木质素质量分数和聚合物易加工能力之间存在负相关关系,当木质素质量分数在2 0%以上时,熔体流动指数降低趋势基本达到稳定状态。同时熔体流动指数降低过程中,曲线变化几乎为线性趋势,这说明加入木质素会对材料加工特性产生一定程度的负面影响。但结合GB/T295002013建筑模板用木塑复合板标准来看,该复合材料具有能够满足建筑材料应用要求的加工特性,具有在建筑行业中应用的潜质。0.20(.3)/0.160.120.080.040.00L0510152025木质素质量分数/%图2 复合材料的熔体流
12、动指数2.2力学性能选择不同质量分数木质素制备复合材料并分析其拉伸强度、弯曲强度,探究木质素对材料力学性能的影响,结果如图3 所示。选择的对照组中木质素质量分数为0,即该组测试的是低密度聚乙烯的力学性能,测试结果用以对比。由图3(a)可知,在不添加木质素的条件下,聚乙烯材料的拉伸强度为2 5 MPa,在此基础上,随着木质素质量分数的增大,复合材料的拉伸强度整体有降低趋势,但降幅不明显。而弯曲强度呈现出先高后低的发展趋势,在木质素质量分数为2 0%时,弯曲强度达到最大值,即49.2 MPa,对比聚乙烯材料的弯曲强度而言提升了1 7 1.2 4%。由此可见,木质素的掺入能够有效提高复合材料的弯曲强
13、度。由图3(b)可得:随着木质素质量分数的增加,复合材料的断裂伸长率得到显著提升,相比聚乙烯材料增幅分别为5%、1 5%、1 8%、3 8%、2 5%;木质素质量分数为2 0%时,复合材料的断裂伸长率最大,原因在于马来酸酐接枝物会和聚乙烯产生接枝反应并强化材料相容性,进而提高材料宏观特性中的断裂伸长率和热稳定性。拉伸强度50a弯曲强度4030201000510152025木质素质量分数/%100(b)80%/率斗电滋60402000510152025木质素质量分数/%图3 复合材料的力学性能结合GB/T29500一2 0 1 3 标准和数据可得,低密度聚乙烯/木质素木质素复合材料的力学性能满足
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