竹纤维粉苄基化改性及其热塑性研究

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木质纤维材料作为丰富的开再生资源可以通过酯化、醚化等方法进行改性,经过化学改性的木质纤维材料具备了一定的热塑性,可用普通塑料加工成型的方法进行加工,制成各种高性能的材料或复合材料,用以代替部分石油产品。这一方面有望部分缓解我们对石油产品的依赖,另一方面也是为木质纤维材料及其剩余物的充分利用寻求新的途径。我国拥有丰富的竹材资源,竹林面积约500多万公顷,年产各类中径、小径竹材450多万吨,为我国工农业生产和文化事业的发展提供了大量的原料。竹材和木材有相同的物理化学组分,以竹材为原料开发相关热塑性材料具有资源优势。论文以竹纤维粉苄基化为研究方向,通过研究温度、时间等因素对原料苄基化的影响,确立了竹粉纤维苄基化最佳工艺条件;研究了反应时间、反应温度对竹浆纤维苄基化的影响;探讨了不同预处理方法对竹浆苄基化反应的影响;采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、差示扫描量热分析(DSC)等仪器对改性产物做了性能和结构分析,揭示了苄基化产物性能和结构之间的关系,探讨了热塑改性的机理。为下一步以竹材纤维为原料制备竹塑复合材料提供一定的理论支持。取得的主要成果如下:(1)竹粉苄基化的最佳反应条件为:每克竹粉用氢氧化钠3.0g,季铵盐(十六烷基三甲基溴化铵)0.15g,氯化苄6.0g,甲苯3.5g,在110℃下反应10h可获得100%以上的增重率。(2)竹浆苄基化产物的增重率随反应温度的升高而增加,随反应时间的延长而增加。当其他条件不变时,在105℃下反应8h可获得最高的取代度(2.03);取代度大于2.0的产物可在150℃、10MPa表压下热压成型为半透明的塑料状薄片。不同预润胀实验表明,冰箱冷冻润胀和微波润胀比常温润胀更有利于苄基化反应,反应效率较高。(3)FT-IR分析表明,竹纤维经过苄基化改性后纤维的部分羟基被苄基取代,醚化反应发生。TG、DSC曲线分析表明,纤维经过苄基改性后已具备了一定的热塑性。扫描电镜显示竹纤维经过苄基化改性后纤维表面已发生了明显的改变,纤维的结晶区已经被破坏,产物已经成功改性。苄基化改性产物软化温度和熔融温度与取代度紧密相关,取代度越高,产物软化温度和熔融温度越低,热塑性也越好。(4)原料组分与产物增重率分析表明,纤维素百分含量的增加并不是获取高增重率的有效方法;适当的木素含量有助于苄基化反应;实验原料中纤维素、半纤维素、木素含量为65.8%、20.92%、12.56%时产物的苄基化效果最佳,并可获得实验中最高的增重率(123.48%)。(5)不同原料苄基化增重率的实验结果表明,不同竹纤维原料在相同条件下苄基化的反应能力不同。这是因为木素的苄基化反应活性高于纤维素和半纤维素,所以当原料中含有一定量的木素时,其反应活性要明显高于纤维素或综纤维素。宏观表现就是竹粉、竹浆的苄基化增重率高于综纤维素和纤维素的增重率。(6)改性产物热塑化机理推测:NaOH预润涨破坏了纤维的结晶结构,为氯化苄进入结晶区和羟基发生取代反应提供了反应条件。原料组分中的纤维素、半纤维素、木素等分子上引入了苄基,使分子间的作用力有所减弱,使产物的极性发生改变。
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