基于動態(tài)塑化的木質(zhì)纖維塑性加工原理.pdf

1、木質(zhì)纖維材料特有的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，使其具有較高的強度和剛性，且為熱的不良導(dǎo)體，在高溫加工過程中由于導(dǎo)熱慢，導(dǎo)致局部表面降解而細胞壁內(nèi)部卻很少受到影響。因此，在通常的條件下，木質(zhì)纖維材料既不能溶解于普通溶劑也不能通過擠出或模壓等方式進行熔融加工。因此，以切削為主的木材加工方式所造成的資源浪費極其嚴重。為探索木質(zhì)纖維資源高效利用的新途徑，本文提出了基于動態(tài)塑化-木塑復(fù)合之木質(zhì)纖維塑性加工理念，系統(tǒng)地研究了木質(zhì)纖維的動態(tài)塑化機理，初步建立了以

2、木質(zhì)纖維的動態(tài)塑化為基礎(chǔ)、以木塑復(fù)合為基本途徑的木質(zhì)纖維塑性加工的理論體系。本文研究內(nèi)容與主要結(jié)果如下:
　　(1)傳統(tǒng)的DSC和DMA測試技術(shù)很難精確地測定纖維狀或粉末狀木質(zhì)纖維材料的熱轉(zhuǎn)變，使研究木質(zhì)纖維的熱塑性受到限制。本文采用一種新型的測試技術(shù)，即通過DMA采用粉末樣品夾(MP-DMA)對木材纖維的動態(tài)粘彈性進行測試。制備四種含有不同細胞壁組分的纖維:楊木邊材纖維(WF)、去半纖維素纖維(HR)、去木質(zhì)素纖維(HC)和α-

3、纖維素纖維(αC)，采用離子液體氯化1-乙基-3-甲基咪唑([Emim]Cl)對纖維進行塑化處理，通過MP-DMA對塑化纖維的動態(tài)粘彈性進行測試，并通過DSC測試纖維和傳統(tǒng)DMA測試木片與MP-DMA的測試結(jié)果進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MP-DMA的測試靈敏度高于DSC;儲能模量αC＞HR＞W(wǎng)F＞HC，[Emim]Cl處理纖維的儲能模量顯著降低，熱塑性顯著增強;[Emim]Cl能夠破壞細胞壁組分中的結(jié)晶纖維素、無定型纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中

4、的氫鍵體系，表現(xiàn)為30℃、90℃和140℃左右的三個力學(xué)松弛過程，依次對應(yīng)于:殘留水分和[Emim]Cl共同與無定型纖維素間的相互作用，[Emim]Cl與細胞壁無定型組分間的相互作用，以及[Emim]Cl與結(jié)晶纖維素間的相互作用。通過實驗和理論分析，揭示了[Emim]Cl對木材纖維的塑化機理。
　　(2)為了揭示細胞壁在離子液體(IL)與外力和高溫共同作用下的動態(tài)塑化機理，通過旋轉(zhuǎn)流變儀對IL處理楊木邊材在較小的恒定壓力(796

5、kPa)下進行升溫壓縮測試，并測試了壓縮定型樣品在潮濕環(huán)境中的應(yīng)變恢復(fù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，IL的濃度和種類均能影響細胞壁的塑化效果，濃度越高，細胞壁軟化溫度越低、壓縮應(yīng)變越大;四種IL中[Emim]Cl的塑化效果最好;結(jié)合DSC、TGA和(1)中的實驗結(jié)果表明，細胞壁的應(yīng)變不是由于IL的熔融及IL或細胞壁大分子的降解，而是歸因于在IL、壓力和高溫的交互作用下，細胞壁結(jié)晶和無定型組分中氫鍵體系被破壞;SEM觀察發(fā)現(xiàn)，在較高IL濃度下細胞壁發(fā)生高于

6、0.5的永久應(yīng)變而未發(fā)生破裂，且應(yīng)變恢復(fù)低于3％;細胞壁經(jīng)歷升溫壓縮、降溫定型和室溫放置后，纖維素在IL的作用下發(fā)生了消晶化-重結(jié)晶的轉(zhuǎn)變。上述結(jié)果表明IL能夠?qū)崿F(xiàn)細胞壁的“動態(tài)塑化”，其機理可概括為:細胞壁在IL、外界應(yīng)力和高溫的共同作用下熱塑性顯著增強，而當(dāng)冷卻至常溫定型時，IL對細胞壁的塑化作用（包括溶劑化、置換氫鍵以及消晶等）大幅度降低，細胞壁大分子自身的分子運動也因溫度的降低而趨緩，在此過程中，細胞壁未被破壞而重新獲得其固有的

7、力學(xué)性能，但是結(jié)晶、氫鍵體系、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和分子運動狀態(tài)等經(jīng)歷了變化。
　　(3)為了研究提取細胞壁組分對木材纖維材料熱塑性的影響，將αC、HR、WF和HC與HDPE熔融共混，通過微量混合流變儀、轉(zhuǎn)矩流變儀、旋轉(zhuǎn)流變儀和毛細管流變儀對共混物熔體的流變性能進行研究，考察木材纖維在高溫擠出過程中的動態(tài)塑化對WPC加工性能的影響，并測試了注射樣條的拉伸和沖擊性能。結(jié)果表明，HC變成高度多孔的柔性結(jié)構(gòu)，HR的剛性增大，而αC的剛性和長徑比均

8、最大;SEM觀察表明，在擠出/注射過程中HC發(fā)生了顯著的塑性變形;采用四種流變儀測試得到的結(jié)果一致，共混物熔體的轉(zhuǎn)矩、剪切應(yīng)力、粘度和模量均呈如下排序:αC/HDPE＞HR/HDPE＞W(wǎng)F/HDPE＞HC/HDPE;αC/HDPE的拉伸強度和沖擊韌性最高;HC/HDPE的拉伸強度、模量和斷裂伸長率均比WF/HDPE復(fù)合材料略有提高，但是沖擊強度略有降低;HC在高溫擠出過程中表現(xiàn)出顯著的熱塑性，改善了WPC的加工性能，而當(dāng)冷卻至常溫定型時

9、，未降低WPC的力學(xué)性能。
　　(4)采用IL對木粉進行塑化處理，并與HDPE進行熔融共混，考察IL塑化木粉在高溫擠出過程中的動態(tài)塑化對WPC加工性能的影響。綜合分析XRD、MP-DMA、SEM以及上述結(jié)果，IL塑化木粉在高溫擠出過程中發(fā)生了顯著的熱塑性變形，但是由于IL塑化木粉表面極性顯著提高，加劇了木粉顆粒在熔體中的團聚，在較低剪切速率下，木粉的動態(tài)塑化未改善WPC的加工性能，在高速擠出過程中，IL有利于WPC的擠出加工，可以

10、降低熔體剪切應(yīng)力和拓寬加工窗口，在較寬的擠出速度下獲得穩(wěn)定的熔體流動和光滑的產(chǎn)品表面。
　　(5)為了考察木粉表面極性對WPC加工性能的影響，采用戊二醛(GA)和1，3-二羥甲基-4，5-二羥基亞乙基脲(DMDHEU)對木粉進行化學(xué)改性，以不同程度地降低木材纖維的表面極性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，木粉的表面極性對WPC的加工性能影響顯著。少量的GA能夠顯著降低共混物熔體的轉(zhuǎn)矩、剪切應(yīng)力、粘度和模量，這是由于GA處理顯著降低了木粉的表面極性，改善