稻秸細(xì)胞壁力學(xué)性能及其纖維復(fù)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(shí)驗(yàn)和原子力顯微鏡(AFM)等手段研究了纖維細(xì)胞壁的力學(xué)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(zhì)機(jī)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(zhì)、以微/納米纖絲為增強(qiáng)材料，制取微/納米纖絲/PP和微納米纖絲/PVA納米復(fù)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(fù)合材料力學(xué)性能、熱學(xué)性能和納米復(fù)

2、合材料界面特性的影響。本研究得到的結(jié)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(guān)鍵性的作用。較高的密度對應(yīng)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(shí)驗(yàn)所測得的細(xì)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(gè)數(shù)值低于由SilviS

3、can測試系統(tǒng)所測得的數(shù)值(35.4GPa)；細(xì)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(xì)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(gè)木材樣品細(xì)胞壁硬度的數(shù)值在0.44-0.56 GPa范圍。細(xì)胞壁的硬度與微纖絲角沒有明顯的相關(guān)性。
　　 2)麥秸纖維細(xì)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(xì)胞壁彈性模量的平均值為18.4GPa。五種農(nóng)作物秸稈纖維細(xì)胞壁的彈性模量介于闊葉材和針葉材之間。棉稈纖維細(xì)胞壁的硬度值最大，為0.85GPa。豆稈纖維細(xì)胞壁的硬度值最小，為0.48GPa。麥秸纖維的細(xì)胞壁彈性模量和硬度高于稻秸纖維。農(nóng)作物秸稈纖維細(xì)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(xué)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(zhì)機(jī)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(zhì)機(jī)法制備的稻秸纖維素纖維微/納米纖絲的相對結(jié)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(zhì)機(jī)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(dòng)。電子掃描電鏡(SEM)的研究結(jié)果表明：經(jīng)高能超聲波和高壓納米均質(zhì)機(jī)處理后的纖維細(xì)胞壁破碎，產(chǎn)生分層剝落現(xiàn)象，還有一些細(xì)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(fù)合材料的彈性模量提高，材料的剛性增加，而拉伸強(qiáng)度均低于未添加增強(qiáng)材料的聚丙烯的強(qiáng)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(shí)，納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度在微/納米纖絲含量達(dá)到5％時(shí)出現(xiàn)最大值，為31.7MPa，而彈性模量在微/納米纖絲含量達(dá)到8％時(shí)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(qiáng)度和拉伸斷裂伸長率沒有明顯的影響，在MAPP含量為

8、4％時(shí)，納米復(fù)合材料的彈性模量達(dá)最大值1509MPa；在高能超聲波的不同處理?xiàng)l件的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著處理時(shí)間的延長，合成所得納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(xiàng)指標(biāo)均高于處理濃度為0.5％的樣品性能。當(dāng)PP基體中引入了改性劑MAPP和RSF時(shí)，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(dòng)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(jié)果表明：微納米纖絲被包裹在PP/MAPP基體中，在拉伸實(shí)驗(yàn)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(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均高于純PVA薄膜的拉伸強(qiáng)度。并且，在-20℃冷凍-解凍循環(huán)三次條件下所得的納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均高于相應(yīng)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(fù)合材料在25～150℃范圍內(nèi)的儲能模量(E')當(dāng)微納/米纖絲的含量為2％和11％時(shí)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(fù)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(fù)合材料的tanδ與純PVA凝膠薄膜的tanδ相比，在整個(gè)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(fù)合材料的熔點(diǎn)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(fù)合材料的結(jié)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(fù)合材料的結(jié)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(fù)合材料的紅外