稻秸細胞壁力學性能及其纖維復合材料研究.pdf

1、本論文以十種闊葉材和五種農(nóng)作物秸稈纖維為研究對象，通過納米壓痕實驗和原子力顯微鏡(AFM)等手段研究了纖維細胞壁的力學性能。并以其中的稻秸纖維素纖維為原料，利用高能超聲波法和高壓納米均質機法分別制備了微/納米纖絲，探討了分別以聚丙烯(PP)和聚乙烯醇(PVA)為基體物質、以微/納米纖絲為增強材料，制取微/納米纖絲/PP和微納米纖絲/PVA納米復合材料的合成方法、工藝條件、改性劑以及微/納米纖絲含量對納米復合材料力學性能、熱學性能和納米復

2、合材料界面特性的影響。本研究得到的結論歸納如下：
　　 1) SilviScan系統(tǒng)所測得的彈性模量中，摘亞木的值最大，為35.4GPa；楊木的值最小，為14.2GPa。其中，木材密度對于彈性模量的大小，起到了關鍵性的作用。較高的密度對應于較高的彈性模量。并且隨著木材密度的增大，彈性模量增大；而隨著MFA的增加而減小。納米壓痕實驗所測得的細胞壁彈性模量最大值出現(xiàn)在摘亞木木材樣品，其數(shù)值為24.6GPa，這個數(shù)值低于由SilviS

3、can測試系統(tǒng)所測得的數(shù)值(35.4GPa)；細胞壁彈性模量的最低值同樣出現(xiàn)在楊木木材樣品中，其數(shù)值為16.9GPa。最小值與最大值相差的百分比為31.3％。細胞壁彈性模量隨木材密度的增加而增大，隨MFA的增大而減小。九個木材樣品細胞壁硬度的數(shù)值在0.44-0.56 GPa范圍。細胞壁的硬度與微纖絲角沒有明顯的相關性。
　　 2)麥秸纖維細胞壁的彈性模量值最大，為20.8GPa，豆稈和棉稈的值最小，為16.3GPa。五種農(nóng)作物秸

4、稈纖維細胞壁彈性模量的平均值為18.4GPa。五種農(nóng)作物秸稈纖維細胞壁的彈性模量介于闊葉材和針葉材之間。棉稈纖維細胞壁的硬度值最大，為0.85GPa。豆稈纖維細胞壁的硬度值最小，為0.48GPa。麥秸纖維的細胞壁彈性模量和硬度高于稻秸纖維。農(nóng)作物秸稈纖維細胞壁的硬度大于木材樹種和再生纖維素纖維。在納米尺度下，農(nóng)作物秸稈纖維具有相對優(yōu)于木材樹種和再生纖維素纖維的納米力學性能。
　　 3)經(jīng)高能超聲波處理后的稻秸纖維素纖維微納米纖絲

5、的粒徑分布范圍在0.1～80μm之間。直徑小于500nm的纖絲占總體測試樣品的6.3％；90％的微/納米纖絲的粒徑分布在7.0～80μm范圍；測試樣品平均粒徑為41μm。經(jīng)高壓納米均質機處理得到的稻秸纖維微/納米纖絲的粒徑分布范圍在0.1～25μm。直徑小于500nm的纖絲占總體測試樣品的16％；90％的微/納米纖絲的粒徑分布在0.7～25μm范圍；測試樣品平均粒徑為8.8μm。未處理的稻秸纖維素纖維、高能超聲波法制備的稻秸纖維素纖維微

6、/納米纖絲和高壓納米均質機法制備的稻秸纖維素纖維微/納米纖絲的相對結晶度分別為71.3％、72.9％和68.0％。與未處理的稻秸纖維素纖維相比，經(jīng)高能超聲波法和高壓納米均質機法處理得到的稻秸微/納米纖絲的-OH特征吸收峰均向高波數(shù)移動。電子掃描電鏡(SEM)的研究結果表明：經(jīng)高能超聲波和高壓納米均質機處理后的纖維細胞壁破碎，產(chǎn)生分層剝落現(xiàn)象，還有一些細小纖絲從纖維束中分離出來，發(fā)生一定的纖絲化作用。
　　 4)在不同的擠出合成條

7、件下，納米復合材料的彈性模量提高，材料的剛性增加，而拉伸強度均低于未添加增強材料的聚丙烯的強度，拉伸斷裂伸長率顯著降低；微/納米纖絲的含量從2％增加到11％時，納米復合材料的拉伸強度在微/納米纖絲含量達到5％時出現(xiàn)最大值，為31.7MPa，而彈性模量在微/納米纖絲含量達到8％時出現(xiàn)最大值，為1621MPa，拉伸斷裂伸長率隨著微/納米纖絲的含量增加顯著降低；MAPP的不同含量對材料的拉伸強度和拉伸斷裂伸長率沒有明顯的影響，在MAPP含量為

8、4％時，納米復合材料的彈性模量達最大值1509MPa；在高能超聲波的不同處理條件的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著處理時間的延長，合成所得納米復合材料的拉伸強度、彈性模量和拉伸斷裂伸長率均提高，且處理濃度為1％的各項指標均高于處理濃度為0.5％的樣品性能。當PP基體中引入了改性劑MAPP和RSF時，基體的紅外光譜圖有很大的變化。1224CM-1，1074 CM-1和1028 CM-1的酯基(C-O-C)伸縮振動吸收峰的出現(xiàn)，證明MAPP的加入使PP基體

9、與RSF具有很好的相容性。SEM的研究結果表明：微納米纖絲被包裹在PP/MAPP基體中，在拉伸實驗過程中，沒有從基體中被拔出，展示了很好的相容性。
　　 5)自然條件和-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下所得微納米纖絲/聚乙烯醇納米復合材料的拉伸強度均高于純PVA薄膜的拉伸強度。并且，在-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下所得的納米復合材料的拉伸強度均高于相應組分在自然條件下鑄膜所得的樣品。
　　 6)在自然條件下鑄膜所得的微納

10、米纖絲/聚乙烯醇納米復合材料在25～150℃范圍內(nèi)的儲能模量(E')當微納/米纖絲的含量為2％和11％時低于純PVA的E'；在-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下鑄膜制備的微納米纖絲/聚乙烯醇納米復合材料在60℃以下高于純PVA的E'，在60℃以上幾乎沒有明顯變化。復合材料的tanδ與純PVA凝膠薄膜的tanδ相比，在整個溫度范圍內(nèi)沒有明顯的差別，而Tg溫度均高于純PVA凝膠薄膜。而自然條件和-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下鑄膜，微納米纖絲

11、不同含量的納米復合材料的熔點沒有太大的變化。-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下所得微納米纖絲/聚乙烯醇納米復合材料的結晶度要高于自然條件下鑄膜所得微納米纖絲/聚乙烯醇納米復合材料的結晶度。稻秸纖維素纖維微/納米纖絲的加入，提高了材料的熱穩(wěn)定性。并且-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下鑄膜制備的各種組分樣品的最大失重率溫度(Tp)均高于自然條件鑄膜的樣品，并且隨著微/納米纖絲含量的增加Tp有不同程度的提高。微納米纖絲/聚乙烯醇納米復合材料的紅外