稻麥秸稈和淀粉制備復(fù)合材料研究.pdf

1、節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今世界的緊迫要求。開發(fā)和利用農(nóng)作物廢棄物等可再生且能降解的復(fù)合材料已成為當(dāng)前研究的熱點，是環(huán)境友好材料研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向，也是農(nóng)作物廢棄物利用和抑制環(huán)境污染的有效途徑之一。秸稈資源豐富，具有低密度性、可再生性及潔凈性;淀粉來源廣泛、價格便宜，具有可生物降解、可再生等諸多優(yōu)點。采用農(nóng)作物秸稈和淀粉制備的復(fù)合材料，具有其它復(fù)合材料無法比擬的質(zhì)輕價廉、可再生及可生物降解等優(yōu)點。秸稈/淀粉復(fù)合材料的研究和應(yīng)用對我國可持續(xù)發(fā)展具

2、有重要意義。
　　 本研究以稻、麥秸稈和玉米淀粉、木薯淀粉及馬鈴薯淀粉為主要原料，通過模壓成型制備了秸稈/淀粉全降解復(fù)合材料，探討秸稈纖維預(yù)處理方法（2％草酸溶液、2％氫氧化鈉溶液、水熱處理及未處理）、秸稈纖維尺寸、淀粉類型、阻濕劑含量、增塑劑含量及膠粘劑含量對復(fù)合材料內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)、彎曲強(qiáng)度(FS)、彎曲彈性模量(MOE)、拉伸強(qiáng)度(TS)、拉伸模量(MOR)、斷裂伸長率(EOF)、沖擊強(qiáng)度(IS)、2h吸水厚度膨脹率(2

3、hTS)及吸濕率(MA)的影響。分析比較了稻、麥秸稈纖維預(yù)處理前后表面化學(xué)成分、表面形貌、吸濕性及浸潤性能的變化情況。也對比分析了不同配比淀粉膠粘劑表觀粘度隨溫度和剪切速度的變化規(guī)律。并觀察了復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)。取得的主要成果如下:
　　 (1)秸稈拉伸性能測試表明，稻、麥秸稈預(yù)處理均能不同程度的降低其拉伸強(qiáng)庫，其中氫氧化鈉處理后秸稈纖維拉伸強(qiáng)度降幅最大。
　　 (2)紅外光譜(IR)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析表明，稻

4、、麥秸稈纖維預(yù)處理能不同程度的去除其表面蠟質(zhì)-硅化層、木質(zhì)素及半纖維素等化學(xué)成分，表面形貌發(fā)生較大變化，使細(xì)胞壁物質(zhì)充分暴露，即秸稈纖維表面纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的特征官能團(tuán)暴露，紅外吸收峰個數(shù)增多、峰吸收增強(qiáng)，使秸稈纖維持水力增加，提高其表面潤濕性。其中氫氧化鈉處理和水熱處理效果較為顯著，而草酸處理未顯著影響秸稈纖維基本組織形態(tài)。
　　 (3)秸稈纖維吸濕性能研究表明，稻、麥秸稈纖維吸濕率均隨時間的增加而增大，且6h前吸濕

5、率增加較快，10～20mm秸稈段吸濕率在整個吸濕過程中始終較小，其吸濕平衡率分別為0.931％和1.071％。粉碎后，稻、麥秸稈纖維吸濕率不同程度的有所增大;其中氫氧化鈉處理秸稈纖維吸濕率最大，分別為2.243％和2.411％;水熱處理次之，分別為1.84％和1.714％;草酸處理后，分別為1.591％和1.514％;而未處理秸稈纖維吸濕率較小，分別為1.585％和1.449％。通過對秸稈纖維吸濕率數(shù)據(jù)進(jìn)行一元非線性回歸，得出吸濕率隨時

6、間的變化模型，發(fā)現(xiàn)所選模型能較好的描述秸稈纖維吸濕率曲線。
　　 (4)秸稈纖維浸潤性研究表明，稻、麥秸稈纖維預(yù)處理均能不同程度的降低其表面接觸角，增強(qiáng)蒸餾水對其表面的浸潤性。水熱處理、氫氧化鈉處理、草酸處理及未處理稻秸稈纖維6min接觸角分別為71.5°、61.5°、88.5°和95.5°，麥秸稈纖維6min接觸角分別為71.1°、56.5°、74.4°和73.6°。
　　 (5)秸稈纖維熱性能研究表明，稻、麥秸稈纖維

7、預(yù)處理均能不同程度改變其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，并能去除部分硅化物等無機(jī)物質(zhì)。
　　 (6)制備了淀粉與水質(zhì)量比分別為1/6、1/8和1/10的玉米淀粉、木薯淀粉和馬鈴薯淀粉膠粘劑，研究分析了其在不同溫度和不同剪切速度下表觀粘度的變化情況，結(jié)果表明:3種淀粉制備的膠粘劑存在剪切稀化現(xiàn)象，即表觀粘度隨剪切速度的增大而減小，且淀粉與水質(zhì)量比越小，表觀粘度越低。玉米淀粉膠粘劑表觀粘度隨溫度的升高先增大后減小，10℃有最大值。木薯淀粉膠粘劑

8、表觀粘度隨溫度的升高而減小，15℃前變化明顯，之后趨于緩和。馬鈴薯淀粉膠粘劑表觀粘度隨溫度的升高而逐漸減小。通過對不同配比的淀粉膠粘劑流變性能數(shù)據(jù)進(jìn)行一元非線性回歸，得出淀粉膠粘劑在不同溫度下的流變模型，發(fā)現(xiàn)所選模型能較好的描述淀粉膠粘劑流變性能。此外，在相同條件下，3種淀粉膠粘劑表觀粘度大小順序為:馬鈴薯淀粉＞玉米淀粉＞木薯淀粉。
　　 (7)通過正交試驗方法L9(34)，以彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量為優(yōu)化參數(shù)，得出制備復(fù)合材料最

9、佳模壓工藝參數(shù)為:壓力4MPa、溫度120℃、時間30min。
　　 (8)在最佳工藝參數(shù)條件下，制備了不同尺寸秸稈纖維及不同淀粉復(fù)合材料:復(fù)合材料力學(xué)性能基本隨秸稈纖維尺寸的減小而先增大后減小，且各項性能隨秸稈纖維尺寸的變化有所不同，0.2～0.45mm時，IB較好;0.45～0.9mm時，F(xiàn)S、MOE、TS較好;0.9～30mm時，MOR、EOF和IS較好;＜0.2mm時，力學(xué)性能較差;混合纖維時，各項力學(xué)性能也較好;10～

10、20mm秸稈段時，僅有IS較好。2hTS和MA隨秸稈纖維尺寸的減小先減小后增大，0.9～30mm時，2hTS較大;0.2～0.45mm時，2hTS較小;10～20mm秸稈段制備的復(fù)合材料在浸水0.5h左右結(jié)構(gòu)變的松散，甚至分解。玉米淀粉基復(fù)合材料IB、MOE、MOR及IS較好，EOF較小;木薯淀粉基復(fù)合材料FS和TS較好;馬鈴薯淀粉復(fù)合材料性能較差;淀粉類型對2hTS和MA影響甚微。
　　 (9)水熱處理稻、麥秸稈纖維復(fù)合材料F

11、S、MOE、IS、TS、MOR較高，IB較低;氫氧化鈉處理時，IB較高，F(xiàn)S較低;草酸處理時，IB、FS、MOE、IS均有不同程度的降低。氫氧化鈉處理秸稈纖維復(fù)合材料2hTS較小，而秸稈纖維預(yù)處理不同程度的降低復(fù)合材料防濕性能，MA增大。
　　 (10)阻濕劑的加入導(dǎo)致稻、麥秸稈纖維復(fù)合材料各項力學(xué)性能降低，IB、FS、MOE、TS、MOR、EOF及IS最大降幅分別為:56.25％、6.68％、11.31％、40.17％、54.

12、74％、20.4％和26.46％（稻秸稈纖維復(fù)合材料），以及36.1％、56.2％、68.5％、56.5％、58.1％、20.3％和27.4％（麥秸稈纖維復(fù)合材料）。適量阻濕劑(1％)能提高復(fù)合材料防水防濕性能。
　　 (11)增塑劑的加入導(dǎo)致稻、麥秸稈纖維復(fù)合材料MOR和EOF略微降低，而其它力學(xué)性能均有不同程度的提高，同時復(fù)合材料防水防濕性能也提高。
　　 (12)稻秸稈纖維復(fù)合材料力學(xué)性能隨淀粉膠粘劑含量的增大均先

13、增大后減小;淀粉膠粘劑含量為10％時，IB、FS、MOE、TS、IS均達(dá)最大值，淀粉膠粘劑含量9％時，EOR和EOF達(dá)最大值;麥秸稈纖維復(fù)合材料IB在淀粉膠粘劑含量為9％時有最大值，EOF和IS在10％時有最大值，而其它力學(xué)性能均隨淀粉膠膠劑含量的增加而降低。稻、麥秸稈纖維復(fù)合材料2hTS隨淀粉膠粘劑含量的增加而略有減小，吸濕率變化不明顯。
　　 (13)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)分析表明:基體和增強(qiáng)體兩相界面結(jié)合存在明顯縫隙、空洞現(xiàn)象，

14、且隨秸稈纖維尺寸的增大而變大，其中＜0.2mm時，復(fù)合材料表面出現(xiàn)較多裂紋。
　　 綜上所述，秸稈纖維預(yù)處理能不同程度的去除稻、麥秸稈纖維表面有機(jī)硅-蠟質(zhì)層，使細(xì)胞壁物質(zhì)充分暴露，且降低秸稈粗纖維、半纖維素和木質(zhì)素含量，秸稈纖維持水力增加，提高了其吸濕性能，同時降低其表面接觸角，使秸稈纖維表面易被浸潤，為淀粉膠粘劑和秸稈纖維的結(jié)合提供良好界面。復(fù)合材料性能隨多個影響因素相互“競爭”的結(jié)果不同而有所差異。在相同條件下，不同淀粉膠粘