基本信息
- 项目名称：
- 户外用高性能环保型竹塑复合材料
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目通过对竹纤维素微粉及竹纤维的改性，获得了氨酯化改性竹纤维素微粉（氨酯化BCMP）和马来酸酐改性竹纤维（MAH-BF）。使用改性后的纤维与HDPE进行复合，获得了能满足户外应用要求的高性能环保型竹塑复合材料。本项目产品的主要性能均要优于目前市售的工业改良型的木/竹塑复合材料。
- 详细介绍：
- 1、本项目制备的硅氧烷基聚氨酯改性竹纤维素微粉（即：氨酯化BCMP）的接枝率为2.37%，马来酸酐改性竹原纤维（即：MAH-BF）的酯化度为10.29 %，红外光谱分析也进一步地证明了接枝反应的发生。 2、氨酯化的BCMP及MAH接枝的BF，其纤维表面变的粗糙，并且具有比天然竹原纤维更好的抗紫外吸收性能。 3、氨酯化BCMP竹塑复合材料及MAH-BF竹塑复合材料，各测试性能均要优于目前的市售的工业改良型的木塑复合材料，且生产成本更低廉。 4、氨酯化BCMP竹塑复合材料的突出优点在于具有卓越的力学性能及抗氧化老化性能，尤其是其抗氧化老化性能，为市售工业改良型木塑复合材料的2倍以上，此类材料更适用于高性能户外增强材料、庭院装饰材料、特殊轻量型工程材料。 5、MAH-BF竹塑复合材料的突出优点在于具有优异的力学性能及耐沸水性能（即具有优异的尺寸稳定性），尤其是其耐沸水性能，试件经沸水煮后，质量及厚度增加百分率仅为市售工业改良型木塑复合材料的1/4，因此该类材料更适用于户外建筑结构材料（特别适用于是游泳池、人工湖、海边浴场等场地的相关建设）、汽车零配件、高性能家具板材、耐久性室外增强复合地板。 由于木塑/竹塑复合材料相对于原生木材，具有众多优异性能：使用寿命延长1倍以上、力学性能普遍增强3-5倍、良好的加工及可塑性能、高防火性能、可近乎100%回收再利用，因此，本类材料的研究与发展已成为近年来新材料领域的一个热门方向，同时也是国家高新材料领域重点支持发展的领域。本研究通过对BCMP表面的氨酯化改性及BF表面的MAH高接枝率的改性，获得了具有特殊性能的改性纤维，将此类纤维与HDPE进行复合，获得了户外用高性能环保型耐久性竹塑复合材料，该类材料有望应用于高性能户外增强材料、庭院装饰材料、特殊轻量型工程材料、户外建筑结构材料、汽车零配件、高性能家具板材、耐久性室外增强复合地板等应用领域。 本项目可根据复合材料的具体应用要求，确定改性纤维和复合材料的配方及工艺。 本研究为获得户外用高性能环保型耐久性竹塑复合材料提供了基础，并推进了植物短纤维在高性能耐久性户外装饰及建筑结构材料领域的应用进程。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：为获得户外用高性能环保型竹塑复合材料提供基础，推进植物短纤维在高性能耐久性户外装饰及建筑结构材料领域的应用进程。 基本思路：纤维的接枝改性 → 改性纤维的分析检测 → 改性纤维与塑料粒子的复合 → 复合材料的性能测定（由复合材料的性能参数再去改进纤维的接枝改性方案）
科学性、先进性及独特之处
- 本作品制备的户外用高性能环保型竹塑复合材料，其各项性能均要优于目前市售的改良型木塑复合材料，且生产成本更低。氨酯化BCMP竹塑复合材料的突出优点在于其抗氧化老化性能，为市售木塑复合材料的2倍。MAH-BF竹塑复合材料的突出优点在于其耐沸水性能优异，经沸水煮后，质量及厚度增加百分率仅为市售木塑复合材料的1/4。 以上两种材料，有望应用于户外用高性能复合材料领域。
应用价值和现实意义
- 本项目制备的户外用高性能环保型竹塑复合材料有望应用于高性能户外增强材料、庭院装饰材料、户外建筑结构材料、汽车零配件、高性能家具板材、耐久性室外增强复合地板等应用领域。 本项目可根据复合材料的具体应用要求确定合适的纤维改性及复合工艺配方。 本研究为获得户外用高性能环保型耐久性竹塑复合材料提供了基础，并推进了植物短纤维在高性能耐久性户外装饰及建筑结构材料领域的应用进程。
学术论文摘要
- 本研究通过探索性试验及单因素试验，获得了氨酯化改性竹纤维素微粉（氨酯化BCMP）和马来酸酐改性竹纤维（MAH-BF）的优化制备工艺及配方，使用改性后的纤维与塑料粒子复合，获得了能满足户外应用要求的高性能环保型竹塑复合材料。 所得氨酯化BCMP的接枝率为2.37%，MAH-BF的酯化度为10.29 %；FTIR分析进一步地证明了接枝改性反应的进行；SEM观察到氨酯化后的BCMP及MAH接枝后BF，其纤维表面变的粗糙；紫外分光光度计测试结果表明，氨酯化BCMP及MAH-BF具有比天然竹纤维更好的抗紫外吸收性能。 改性后的纤维与HDPE复合获得了户外用高性能环保型竹塑复合材料，其各项测试性能均要优于目前市售的工业改良型的木塑复合材料，且生产成本更为低廉。尤其是氨酯化BCMP竹塑复合材料的抗氧化老化性能，是市售工业改良型木塑复合材料的2倍，MAH-BF竹塑复合材料的耐沸水性能，其试件的质量及厚度增加百分率仅为市售工业改良型木塑复合材料的1/4。
获奖情况
- 作品相关的论文与专利： [1] 任兵杰,陈宇翔,方红霞,等.马来酸酐接枝改性竹纤维及其增强复合材料的性能.工程塑料应用.2011,39(5):16-20. [2] 方红霞, 孙金余, 吴强林, 任兵杰, 解坤. 竹纤维素微粉的结构与性能研究.纤维素科学与技术, 2011, 19(1):29-34. [3] 方红霞, 吴强林, 任兵杰, 史建俊, 李长江, 许修强. 一种耐久性纤维素纤维及其应用. 中国专利201010167631.4. （申请公布号: CN 101831801 A）.
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 付文, 王丽, 刘安华. 木塑复合材料改性研究进展 [J]. 高分子通报, 2010, (3):61-64. [2] 王伟宏, 李春桃, 王清文. 木塑复合材料产业化现状及制造关键技术 [J]. 现代化工, 2010, 30(1): 6-10. [3] 霍中玲, 谢兆设, 陈猛. 木塑复合材料型材配方工艺研究. 工程塑料应用, 2007, 35(5):33-35. [4] 伍波, 张求慧, 李建章. 木塑复合材料的研究进展和发展趋势 [J]. 材料导报, 2009, 23(7):62-64. [5] 徐有明, 胡荣仙, 熊汉国. 竹塑增强复合材料的研究进展及加工现状 [J]. 木材工业, 2010, 24(3):28-32.
同类课题研究水平概述
- 目前国内外对木/竹塑复合材料进行的界面改性研究，主要是通过改性木/竹纤维或添加界面改性剂的方法进行。主要的化学改性方法有：加入相容剂，加入偶联剂，共聚接枝改性等。木/竹纤维的化学改性主要是将纤维素表面的羟基反应掉，形成化学键，如将木纤维表面的羟基进行乙酰化以降低木纤维的表面活化能，或利用相容剂的羧基或酰基与纤维素中的羟基发生酯化反应，如马来酸酐接枝PP( PP-g-MAH) 、异氰酸酯、氯化苯甲酰等。利用化学处理方法可以达到减少纤维表面羟基基团的目的,或通过化学的方法使木质聚合物高分子和基体树脂间产生交联。新结构的稳定性取决于形成键的性质，主要影响材料的力学特性和吸附性。 除了以上针对木/竹塑复合材料进行的界面改性研究，木/竹塑复合材料的研发趋势还体现在： 1.木/竹塑制品的多样化与功能化 木/竹塑复合材料从发展之初的托盘、包装箱等制品，经过户外铺板、栅栏、桌椅等的开发应用，目前已开始向市场更加广阔的建筑结构领域渗透，努力达到房屋结构件等制品的力学性能要求和外在装饰效果。木/竹塑复合材料正朝着功能化、高附加值方向发展，以适应广阔的应用领域，阻燃型、增强型、抗老化型、抗蠕变型、保温隔热型、储能调温型等都成为亟待开发的产品。 2.扩大原料选择范围，提高木/竹塑复合材料生物质成分的构成比例 目前的木/竹塑复合材料里，木纤维所占比重一般在35%-65%，并以粉末形态为主，远未达到人们利用生物质资源的期待值，今后将向更高比例和长纤维形态发展，充分体现生物质纤维的增强作用。 3.多种成型工艺并存 挤出成型是当前木/竹塑复合材料制品成型加工的主流方法。注塑成型主要用于开发木/竹塑专用零部件及汽车零部件。木/竹塑制品模压成型方法与工艺是当前木/竹塑复合材料制品研发的新趋势。 从以上研发背景，我们可以总结出，木/竹塑复合材料正不断拓宽其应用领域，已向广阔的建筑等结构材料领域渗透，为满足高性能耐久性结构材料（耐久性增强户外板材、耐久性庭院装饰材料、汽车零配件、建筑结构材料，等）的应用要求，木/竹塑复合材料的耐久性已成为各国研发热点和亟待解决的关键技术之一。
