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废纸二次纤维氰乙基化改性及制备复合材料的研究

张春红

  利用废纸二次纤维(简称为二次纤维,secondary fiber,SF)制备新型复合材料是解决废纸再生的二次污染以及资源问题的一条有效途径。本文将微波技术用于氰乙基化热塑化改性中,对二次纤维的微波强化碱预处理、氰乙基化改性转变为热塑性材料以及新型复合材料的制备和性能进行研究,未见有相关研究的文献报道。 首先研究了微波强化碱预处理二次纤维结构和性能,并探讨了微波强化的机理。结果表明:微波强化碱预处理不会改变SF化学基团,但导致SF的聚集态结构发生变化:结晶度降低、晶面距离增大;微波强化碱预处理会降低SF的聚合度,使保水值和化学可及度增大。对于微波强化碱预处理二次纤维聚集态结构变化,首次提出微波和碱的协同作用机理。 对微波强化碱预处理SF的氰乙基化反应工艺及反应产物氰乙基化二次纤维(cyanoethylated SF, CSF)结构和性能进行探讨。结果表明,在三种微波辐照功率200 W、400 W、600 W的作用条件下,辐照特定时间后都能明显提高CSF的含氮量,缩短反应时间,减少化学药品用量;并发现微波连续辐照比间歇辐照更有利于提高SF的氰乙基化反应程度。新材料氰乙基化二次纤维具有良好的热塑性,可热压成型。CSF的热流动性能、力学性能与氰乙基化反应程度有关:即随氰乙基化程度的增加,含氮量增加,CSF的拉伸和抗弯性能提高。SF的热塑化机理探讨表明:碱预处理和微波强化碱预处理的消晶作用不能赋予SF热塑性;CSF之所以具有热塑性,主要与SF引入取代基团—CH2CH2CN,纤维的结晶结构遭到破坏而促进纤维素大分子或链段的运动相关。 研制了SF增强再生高密度聚乙烯(RHDPE)复合材料(SF/RHDPE)。当SF含量为15 wt%时,SF/RHDPE的综合力学性能最优,抗拉强度(TS)和抗弯强度(FS)分别比基体提高34%和77%,而SF/RHDPE的加工成型性能随着SF添加量的增大而降低。SF有利于复合材料中RHDPE的结晶,RHDPE的归一化结晶度(XR)增大,而熔融温度(Tm)呈降低趋势。选用相容剂马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)能改善SF/RHDPE的界面相容性,提高复合材料的力学强度。 以CSF为增强体制备CSF/RHDPE复合材料,研究了复合材料成型工艺参数和性能,得出制备CSF/RHDPE的优化工艺参数:成型温度160℃、成型压力15 MPa,混炼时间15 min。CSF的含量和改性程度对复合材料的力学性能有影响,在CSF的用量相同的条件下,复合材料的力学性能随着CSF含氮量的增加而增大,当CSF的含氮量为20.36%、用量为20 wt%时,TS和FS分别为34.79 MPa和36.27 MPa。CSF/RHDPE的力学性能和吸水性能优于SF/RHDPE, CSF的加入降低复合材料的加工性能的程度远小于SF/RHDPE复合材料。 CSF不仅可用于RHDPE增强复合材料的制备,也可作为基体替代传统树脂制备生物降解SF/CSF复合材料。由于CSF的热熔粘度大于一般的热塑性树脂,因此SF的最佳加入量一般小于植物纤维基增强复合材料,SF含量为10 wt%时,复合材料的性能达到峰值,分别为22.37 MPa和31.63 MPa。针对SF和CSF二者之间界面相容性问题,首次将碱/KH550联合处理方式应用于全植物纤维复合材料,发现其比常规碱处理更有利于复合材料性能的提高。纤维素酶降解实验得出SF/CSF复合材料具有较好的生物降解性。研究发现SF/CSF复合材料可代替传统植物纤维增强聚合物基复合材料用建筑材料。……   
[关键词]:二次纤维;微波;预处理;氰乙基化;复合材料;生物降解
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:昆明理工大学2009年