小麦秸秆表面功能化改性对淀粉塑料性能的影响

【摘要】：近年来,由于石油短缺问题日益严峻以及社会大众环保意识的不断提高,生物质材料得到了快速有效的发展。小麦秸秆(WS)是一种重要的农作物副产品,具有成本低、密度小、可降解的优点,每年收割季节会大量囤积。淀粉是一种理想的原料具有可降解、低成本、易取得等优点,可用于制备生物质材料。但耐水、耐热性差、力学性能不佳限制了淀粉塑料的应用。用麦秸作为增强材料,既可以有效改善热塑性淀粉的性能,同时又为农作物废弃物的处理提供了一条新的思路。本论文先用未经处理的WS通过直接共混法增强热塑性淀粉,但增强效果不佳,进而考虑对WS表面进行预处理:利用过碘酸盐对WS中的纤维素进行选择性氧化,得到氧化麦秸(OWS)纤维,并通过OWS与淀粉分子发生酯化交联反应,达到增强热塑性淀粉复合材料的目的。由于成品仍存在拉伸韧性和抗冲击性不足的问题,继而采用了以不同酸酐酯化反应制得酯化麦秸纤维,制备热塑性淀粉复合材料。具体开展的工作如下:(一)以小麦秸秆为原料,采用物理共混法直接增强的热塑性淀粉,研究麦秸纤维素的含量对热塑性淀粉复合材料的力学性能、热性能、流变性能及耐水性能等性能的影响。结果表明,WS/TPS材料的拉伸强度随着WS含量的增加呈先增加后减小的趋势;当WS含量到达1%时,其拉伸强度达到最大值6.89MPa。冲击强度随WS含量的增加而减小。WS可提高热塑性淀粉的热稳定性,都能略微提高淀粉的最大分解速率。相对于TPS,WS/TPS更难于加工,并且随着WS含量的增加,其在热剪切作用下流动性越来越差。WS的加入提高了热塑性淀粉耐水性能,随纤维素含量的增加,吸水率下降。(二)利用高碘酸钠的强氧化性氧化小麦秸秆纤维素,通过控制氧化剂的浓度制备不同醛基含量的氧化麦秸纤维素,表征麦秸纤维素及氧化麦秸纤维素增强的热塑性淀粉的力学性能、热性能、流变性能及耐水性能等,研究麦秸纤维素的含量、氧化程度对热塑性淀粉复合材料性能的影响。结果表明,OWS提高热塑性淀粉的热稳定性能力有限,与未改性的WS增强效果类似。高碘酸钠浓度为0.45mol/L,OWS含量为1%时,OWS/TPS的拉伸强度最高可达到7.66MPa,但断裂伸长率仅为19.87%。(三)分别利用马来酸酐、衣康酸酐、柠康酸酐对WS进行酯化改性,对复合材料的力学性能、热性能、流变性能、耐水性能等展开测试,考查酸酐的种类、热塑性淀粉与酸酐的质量配对共混复合材料性能的影响。随酸酐含量的增加,体系的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小,耐水性能提升而加工流动性能均下降。(四)分别利用丙酸酐、琥珀酸酐对WS进行酯化改性,对复合材料的力学性能、热性能、流变性能、耐水性能等展开测试,考查酸酐的种类、热塑性淀粉与酸酐的质量配对共混复合材料性能的影响。随酸酐含量的增加,体系的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小,耐水性能、加工流动性能均下降。(五)利用甲基丙烯酸酐对WS进行酯化改性,对复合材料的力学性能、热性能、流变性能、耐水性能等展开测试,考查热塑性淀粉与酸酐的质量配对共混复合材料性能的影响。随酸酐含量的增加,体系的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小,耐水性能、加工流动性能均下降。 【关键词】：热塑性淀粉 小麦秸秆 酯化 复合材料
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ321
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 前言11-17
• 1.1.1 降解塑料11
• 1.1.2 热塑性淀粉塑料的研究现状11-13
• 1.1.3 秸秆种类及主要成分13
• 1.1.4 麦秸复合材料中的研究现状13-14
• 1.1.5 纤维表面的预处理14-17
• 1.1.5.1 物理法15
• 1.1.5.2 氧化法15-17
• 1.1.5.3 酸酐处理17
• 1.2 研究目的17
• 1.3 研究内容17-19
• 第二章 小麦秸秆增强热塑性淀粉塑料的研究19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 WS/TPS19-21
• 2.2.1 主要原料与设备19-20
• 2.2.2 样品的制备20
• 2.2.3 性能测试20-21
• 2.2.3.1 力学性能测试20
• 2.2.3.2 扫描电镜分析20
• 2.2.3.3 热稳定性分析20
• 2.2.3.4 动态力学性能分析20-21
• 2.2.3.5 转矩流变性测试21
• 2.2.3.6 毛细管流变性测试21
• 2.2.3.7 熔体流动速率测试21
• 2.2.3.8 接触角测试21
• 2.2.3.9 吸水性测试21
• 2.3 结果与讨论21-29
• 2.3.1 WS/TPS塑料的拉伸性能21-22
• 2.3.2 WS/TPS塑料的冲击性能22-23
• 2.3.3 拉伸断面的扫描电镜图像23
• 2.3.4 热重分析23-24
• 2.3.5 动态力学分析24-25
• 2.3.6 转矩流变仪测试25-26
• 2.3.7 挤出毛细管流变性能测试26-27
• 2.3.7.1 WS/TPS熔体的黏度特性26-27
• 2.3.7.2 非牛顿指数27
• 2.3.8 熔体流动速率测试27-28
• 2.3.9 接触角测试28-29
• 2.3.10吸水性测试29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 氧化麦秸增强热塑性淀粉的研究30-40
• 3.1 引言30
• 3.2 OWS/TPS30-33
• 3.2.1 主要原料与仪器30-31
• 3.2.2 氧化麦秆纤维的制备31
• 3.2.3 醛基含量的测定31
• 3.2.4 样条的制备31-32
• 3.2.5 性能测试32-33
• 3.2.5.1 红外光谱分析32
• 3.2.5.2 力学性能测试32
• 3.2.5.3 扫描电镜分析32
• 3.2.5.4 热稳定性分析32
• 3.2.5.5 动态力学性能分析32
• 3.2.5.6 转矩流变性测试32
• 3.2.5.7 接触角测试32
• 3.2.5.8 吸水性测试32-33
• 3.3 结果与讨论33-39
• 3.3.1 红外33
• 3.3.2 电镜33-34
• 3.3.2.1 OWS表面33-34
• 3.3.2.2 OWS/TPS断面34
• 3.3.3 力学性能34-36
• 3.3.4 动态力学性能36
• 3.3.5 热稳定性分析36-37
• 3.3.6 转矩流变37-38
• 3.3.7 耐水性测试38-39
• 3.3.7.1 接触角38
• 3.3.7.2 吸水性38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 马来酸酐、衣康酸酐、柠康酸酐酯化小麦秸秆增强热塑性淀粉的研究40-55
• 4.1 引言40
• 4.2 MA-WS&ITA-WS&CTA-WS增强TPS的制备40-44
• 4.2.1 试剂与仪器40-41
• 4.2.2 MA-WS&ITA-WS&CTA-WS的制备41-42
• 4.2.3 MA-WS&ITA-WS&CTA-WS醛基含量的测定42
• 4.2.4 样条的制备42-43
• 4.2.5 性能测试43-44
• 4.2.5.1 红外光谱分析43
• 4.2.5.2 力学性能43
• 4.2.5.3 扫描电镜分析43
• 4.2.5.4 动态力学分析43
• 4.2.5.5 热稳定性分析43
• 4.2.5.6 转矩流变性能43
• 4.2.5.7 毛细管流变性能43
• 4.2.5.8 熔体流动速率测试43
• 4.2.5.9 接触角测试43-44
• 4.3 结果与讨论44-54
• 4.3.1 红外44-45
• 4.3.2 力学性能45-46
• 4.3.3 扫描电镜46-49
• 4.3.4 热稳定性分析49-50
• 4.3.5 动态热性能分析50-51
• 4.3.6 转矩流变51-52
• 4.3.7 毛细管流变52-53
• 4.3.8 熔融指数53-54
• 4.3.9 接触角54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 丙酸酐、琥珀酸酐改性小麦秸秆增强热塑性淀粉塑料的研究55-63
• 5.1 引言55
• 5.2 PA-WS&SA-WS增强TPS的制备55-57
• 5.2.1 实验试剂及设备55-56
• 5.2.2 样品的制备56
• 5.2.2.1 预处理56
• 5.2.2.2 丙酸酐、琥珀酸酐-小麦秸秆/TPS56
• 5.2.3 表征与测试56-57
• 5.2.3.1 红外光谱分析56
• 5.2.3.2 力学性能测试56
• 5.2.3.3 热稳定性分析56
• 5.2.3.4 动态力学性能分析56
• 5.2.3.5 转矩流变性测试56-57
• 5.2.3.6 毛细管流变性测试57
• 5.2.3.7 接触角测试57
• 5.2.3.8 吸水性测试57
• 5.3 结果与讨论57-62
• 5.3.1 红外光谱分析57
• 5.3.2 力学性能57-59
• 5.3.3 热重分析59
• 5.3.4 动态力学分析59-60
• 5.3.5 转矩流变性测试60-61
• 5.3.6 毛细管流变性测试61-62
• 5.3.7 接触角62
• 5.3.8 吸水率62
• 5.4 本章小结62-63
• 第六章 甲基丙烯酸酐改性小麦秸秆增强热塑性淀粉塑料的研究63-71
• 6.1 引言63
• 6.2 MAA改性WS/TPS63-65
• 6.2.1 实验试剂及设备63-64
• 6.2.2 样品的制备64
• 6.2.2.1 预处理64
• 6.2.2.2 MAA-WS/TPS64
• 6.2.3 表征与测试64-65
• 6.2.3.1 红外光谱分析64
• 6.2.3.2 力学性能测试64
• 6.2.3.3 热稳定性分析64
• 6.2.3.4 动态力学性能分析64
• 6.2.3.5 转矩流变性测试64
• 6.2.3.6 毛细管流变性测试64-65
• 6.2.3.7 接触角测试65
• 6.2.3.8 吸水性测试65
• 6.3 结果与讨论65-70
• 6.3.1 红外光谱分析65
• 6.3.2 力学性能测试65-67
• 6.3.3 热重分析67
• 6.3.4 动态力学性能分析67-68
• 6.3.5 转矩流变性测试68
• 6.3.6 毛细管流变性测试68-69
• 6.3.7 接触角69-70
• 6.3.8 吸水率70
• 6.4 本章小结70-71
• 第七章 结论与展望71-73
• 7.1 结论71
• 7.2 展望71-73
• 攻读学位期间发表的学术论文73-74
• 参考文献74-78

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