【摘要】：植物纖維復(fù)合材料是一種綠色環(huán)保材料,傳統(tǒng)基于剪切流變的螺桿加工設(shè)備,對(duì)植物纖維混合分散效果不佳,在強(qiáng)剪切力作用下,植物纖維容易發(fā)生斷裂和熱降解,降低復(fù)合材料的性能;另外,植物纖維復(fù)合材料的熔體流動(dòng)性往往比較差,傳統(tǒng)的注塑成型加工難度比較大,而對(duì)物料流動(dòng)性要求較低的模壓成型工藝則有自動(dòng)化程度低,制品尺寸不穩(wěn)定的缺點(diǎn),這些都大大限制了該材料的應(yīng)用范圍。本文首次提出植物纖維填充體系拉伸流變連續(xù)塑化模壓成型方法,并研制了偏心轉(zhuǎn)子連續(xù)塑化模壓成型設(shè)備。物料在塑化輸運(yùn)過(guò)程中,在定子容腔發(fā)生由大到小再由小到大的周期性變化,從而使得物料在偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)中經(jīng)歷周期性的“壓縮-釋放”過(guò)程,完成植物纖維復(fù)合材料體積拉伸形變作用下的塑化熔融輸運(yùn)。根據(jù)模壓成型過(guò)程建立料坯模壓成型充模過(guò)程和保壓冷卻過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)料坯在模壓成型過(guò)程中的流場(chǎng)分布和保壓過(guò)程中的溫度變化趨勢(shì),為后期的模壓成型提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)制備的聚乳酸(PLA)/竹纖維(BF)復(fù)合材料與傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)制備相對(duì)比,根據(jù)微觀形貌觀察,竹纖維在拉伸流場(chǎng)中能夠均勻分散,大大提高了材料的力學(xué)性能;拉伸流場(chǎng)能夠有效的提高復(fù)合材料的結(jié)晶性能,在2θ=16.5°和19.0°出現(xiàn)兩個(gè)尖銳的結(jié)晶峰,分別對(duì)應(yīng)(110)(200)(203)α晶面的衍射峰,另外,純PLA和PLA/BF復(fù)合材料均在2θ=31.0°出現(xiàn)一個(gè)明顯的(023)β晶面的衍射峰,促進(jìn)β晶的形成;通過(guò)對(duì)復(fù)合材料熱穩(wěn)定性分析,可以看到隨著竹纖維含量增加,在剪切流場(chǎng)中,復(fù)合材料T_(5%),T_(50%)和T_(max)下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拉伸流場(chǎng),復(fù)合材料的吸水性是竹纖維含量和加工流場(chǎng)共同決定的。在拉伸流場(chǎng)中,竹纖維排列緊密,PLA對(duì)竹纖維形成保護(hù),阻礙水分子的進(jìn)入。采用偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)制備不同纖維形態(tài)下的植物纖維填充復(fù)合材料,并分析討論植物纖維含量、加工轉(zhuǎn)速等在拉伸流場(chǎng)制備復(fù)合材料的響應(yīng)。不同形態(tài)植物纖維在拉伸流場(chǎng)中具有不同的分散效果,桉木粉和木質(zhì)纖維素的最優(yōu)添加量為30wt%,木質(zhì)纖維素在聚丙烯基體內(nèi)均勻分散,復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳,刨花纖維的最優(yōu)含量為20wt%;不同種類植物纖維在偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間和產(chǎn)量變化相差不大;偏心轉(zhuǎn)速擠出機(jī)不同的轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的拉伸流場(chǎng)對(duì)不同形態(tài)的植物纖維在聚丙烯基體內(nèi)的分散效果不同,偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速為80rpm時(shí),桉木粉在聚丙烯基體內(nèi)取得最優(yōu)的分散效果,復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu),木質(zhì)纖維素對(duì)轉(zhuǎn)速要求較低,當(dāng)轉(zhuǎn)速為40rpm、80rpm、120rpm時(shí),均能良好的分散在基體中,且復(fù)合材料的性能相差不大,刨花纖維在偏心轉(zhuǎn)子擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速為80rpm時(shí),刨花纖維分散性良好,聚丙烯/刨花纖維復(fù)合材料的性能最優(yōu)。不同植物纖維種類的復(fù)合材料的熱性能相差不大,說(shuō)明物料在偏心轉(zhuǎn)子擠出產(chǎn)生的拉伸流場(chǎng)中的塑化輸運(yùn)過(guò)程是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的過(guò)程,沒(méi)有因轉(zhuǎn)速的提高而產(chǎn)生大的波動(dòng);復(fù)合材料的停留時(shí)間和產(chǎn)量隨加工轉(zhuǎn)速的變化幾乎呈線性關(guān)系,充分體現(xiàn)了偏心轉(zhuǎn)子正位移輸送的塑化輸運(yùn)機(jī)理。通過(guò)對(duì)模壓成型制品出模后表面的溫度分布的研究,分析模壓成型過(guò)程中,模壓時(shí)間、模具溫度以及不同料坯布置對(duì)成型制品翹曲度的影響,通過(guò)研究可以得出:隨著模壓時(shí)間的延長(zhǎng),模具對(duì)制品的冷卻越充分,模具表面的溫度越低,且溫度分布更加均勻,制品的翹曲變形逐步減小。采用多料坯模壓成型的方式,可以在一定程度上提高制品出模后溫度分布的均勻性,提高制品尺寸的穩(wěn)定性。偏心轉(zhuǎn)子連續(xù)塑化模壓成型設(shè)備的研制改變了傳統(tǒng)模壓成型方式自動(dòng)化程度低,制品尺寸穩(wěn)定性差的局面,成功實(shí)現(xiàn)了植物纖維復(fù)合材料的拉伸形變連續(xù)塑化模壓成型方法,制備了具有良好分散效果和尺寸穩(wěn)定性高的植物纖維復(fù)合材料制品,推動(dòng)了環(huán)保包裝材料的推廣和應(yīng)用,具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

圖 1-1 植物纖維復(fù)合材料應(yīng)用Fig.1-1 The application of Plant fiber filling composites1.2 植物纖維填充聚合物的概況植物纖維在自然界中的存在十分普遍，其主要的成分主要包括纖維素、半纖維素、和木質(zhì)素等構(gòu)成[8-10]。纖維素在整個(gè)植物纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)中一般占的比例最多，其含量往往占據(jù)一半以上，也有像棉花這類植物纖維，纖維素基本構(gòu)成了整個(gè)細(xì)胞的全部[11-13]。纖維素的性質(zhì)主要是由其分子上醇羥基的位置決定的，可以發(fā)現(xiàn)磺氧化、酯化等一系列的反應(yīng)，也可以分子間形成氫鍵，產(chǎn)生吸水溶現(xiàn)象[11,14-16]。半纖維素的含量相比纖維素含量會(huì)少一些，主要是由不同種類的單糖構(gòu)成的異性多聚體，半纖維素屬于親水性的物質(zhì)，容易使植物纖維的細(xì)胞發(fā)生潤(rùn)脹，增加了植物纖維的彈性[17-19]。木質(zhì)素在自然界中的存在量?jī)H次于纖維素[20-21]，是植物纖維細(xì)胞內(nèi)部的支架，能夠很好的將細(xì)胞中不同的成分連接到一起，增強(qiáng)纖維的性能。果膠主要存在于一些高等的植物中，其同樣在細(xì)胞中起到黏結(jié)作用，，增強(qiáng)纖維，提高纖維的抗壓性能[22]。抽提物的成分復(fù)雜，各組分的含

圖 1-2 拉伸流動(dòng)和剪切流動(dòng)的速度分布[90]Fig.1-2 The velocity distribution of elongation flow and shear flow分子材料塑化加工過(guò)程中，物料在輸送過(guò)程中都必將受到所處流場(chǎng)力的作在流場(chǎng)中的流動(dòng)方式不同，可以分為剪切流場(chǎng)和拉伸流場(chǎng)。傳統(tǒng)的加工方為主，如圖 1-3（a）和 1-3（b）。根據(jù)物料在輸送過(guò)程中不同的邊界條件切流場(chǎng)分為拖曳誘導(dǎo)剪切流場(chǎng)和壓力誘導(dǎo)剪切流場(chǎng)。其中，拖曳剪切流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)而使物料發(fā)生流動(dòng)的力場(chǎng)，熔體在輸運(yùn)過(guò)程中的流動(dòng)方式類似于轉(zhuǎn)動(dòng)表面摩擦剪切而產(chǎn)生的流動(dòng)，片材的壓延成型就是典型的拖曳剪切流動(dòng)。流場(chǎng)則是在邊界固定的情況下由外力作用施加到聚合物熔體表面，推動(dòng)物成的流場(chǎng)。聚合物加工成型中的擠塑成型和注塑成型多以這種流場(chǎng)為主。料的塑化輸運(yùn)方向與速度梯度方向一致，如圖 1-3（c）。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33

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本文編號(hào)：2708422