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        稻殼塑料基復(fù)合材料的研究進(jìn)展*

        2021-04-09 11:02:02陳科名陳楚彬林俊灶葉浩清張德康蘇永旺劉弋潞
        廣州化工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:木塑稻殼吸水率

        陳科名,陳楚彬,林俊灶,葉浩清,張德康,蘇永旺,劉弋潞

        (佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,廣東 佛山 528000)

        近年來隨著城市化和住房面積的快速增長,森林資源不斷被消耗,進(jìn)而木塑復(fù)合材料作為新興的環(huán)保材料資源可替代森林資源則受到了越來越多行業(yè)的關(guān)注。木塑復(fù)合材料是由稻殼、秸稈、木粉等廢棄植物纖維與熱塑性聚合物復(fù)合而成的木質(zhì)材料,具備優(yōu)良的加工性能,耐腐蝕耐水性能和100%可回收的綠色環(huán)保性能;現(xiàn)今主要運用于建筑、汽車、船舶和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1-4]。中國每年產(chǎn)生的稻殼大約有4000萬噸,而由于稻殼產(chǎn)地分散,其收集、儲存、運輸費用過大而限制了稻殼資源的利用;在中國大部分稻殼被當(dāng)做加工殘渣直接丟棄或者焚燒,只有少部分用于家禽飼料、有機肥料、燃料發(fā)電、廢水處理、家居板材等領(lǐng)域;這意味著大量的稻殼資源未被有效合理地利用[5-8]。本文綜述了四種預(yù)處理方法對稻殼品質(zhì)的影響,可以發(fā)現(xiàn)四種預(yù)處理方法均能改善稻殼纖維的性能,其中堿處理效果最明顯;并結(jié)合近十年相關(guān)學(xué)者對稻殼塑料基復(fù)合材料的性能研究成果發(fā)現(xiàn)稻殼木塑復(fù)合材料想在市場上廣泛應(yīng)用需解決其存在的性能缺陷、制備成本等問題,最后展望了稻殼塑料基復(fù)合材料的研究方向。

        1 預(yù)處理對稻殼品質(zhì)的影響

        稻殼表面富含木質(zhì)素和二氧化硅,呈不規(guī)則突起;其呈現(xiàn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將纖維籠絡(luò)在內(nèi),而熱塑性基體與稻殼纖維交聯(lián)需通過網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)才能相容,且稻殼具有較大的比表面積,這使得稻殼纖維與膠粘劑結(jié)合難度變大,稻殼塑料基復(fù)合材料會出現(xiàn)脫膠或者局部缺膠現(xiàn)象[9]。因此研究者們會將稻殼先進(jìn)行預(yù)處理,優(yōu)化其品質(zhì),以期改善稻殼復(fù)合材料的性能,拓寬材料的應(yīng)用領(lǐng)域。筆者總結(jié)以下了四種預(yù)處理方式對稻殼品質(zhì)的影響。

        水熱預(yù)處理:水熱預(yù)處理可以有效大量的去除稻殼中的半纖維素,堿金屬和部分灰分,章旭等[10]研究了水熱預(yù)處理對稻殼原料熱解特性的影響;研究發(fā)現(xiàn)水熱溫度越高(溫度范圍是120~210 ℃),堿金屬和堿土金屬等無機元素含量越低,揮發(fā)分含量增加,含氧官能團(tuán)變多。Jia Wu等[11]研究稻草(RS)和稻殼(RH)水熱預(yù)處理過程中游離酚酸的釋放程度,F(xiàn)TIR分析結(jié)果表明,預(yù)處理能水解和增溶稻殼內(nèi)的半纖維素,使不溶性殘渣中的木質(zhì)素和結(jié)晶纖維素富集。

        微波預(yù)處理:李淵[12]研究微波處理稻殼對重金屬Pb2+、Cd2+吸附性,結(jié)果表明采用微波處理稻殼后,稻殼表面的木質(zhì)素被破壞,使內(nèi)部大量可作為金屬離子結(jié)合位點的官能團(tuán)裸露出來,促進(jìn)了金屬離子的吸附。許憲松等[13]研究發(fā)現(xiàn)微波處理稻殼可將纖維素酶活性提高,是由于改性處理可以改善稻殼內(nèi)部纖維素的超分子結(jié)構(gòu)。

        堿處理:堿處理可以破壞木質(zhì)素,纖維素,半纖維素之間的交聯(lián),從而使稻殼中的SiO2溶出。相比于其他處理法堿處理法操作簡單,反應(yīng)速率快,經(jīng)濟(jì)效益更顯著[14]。高巧春等[15]將稻殼進(jìn)行堿處理結(jié)果表明在浸泡初期,稻殼表面結(jié)構(gòu)含有的木質(zhì)素被溶解,同時纖維表面變得粗糙,且內(nèi)部纖維束分裂成直徑短小的纖維,提高了纖維的分散性,使稻殼的界面結(jié)合強度增大,從而提高了復(fù)合材料的性能。

        酸處理:陳濤等[16]以稻殼為原料,探求了聯(lián)用技術(shù)處理對生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的影響,其中經(jīng)過酸處理后,稻殼的灰分含量降低,揮發(fā)分和固定碳含量增加;酸處理對孔結(jié)構(gòu)影響,稻殼的比表面積顯著增大。Yuna Ma等[17]分析了HCL、HF、H3PO4三種酸對稻殼無機含量的影響,其中鹽酸對堿金屬、堿土金屬的去除效果最明顯,鹽酸處理后K、Ca、Na和Mg的去除率分別達(dá)到98%、93%、100%和91%。

        2 稻殼塑料基復(fù)合材料性能研究

        2.1 PVC/稻殼復(fù)合材料

        聚氯乙烯在上世紀(jì)三十年代實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)化后,現(xiàn)在每年聚氯乙烯的生產(chǎn)量穩(wěn)居塑料總產(chǎn)量前三,其巨大的市場需求也讓許多研究者投身于聚氯乙烯性能研究行列中。劉俊等[18]采用了模壓成型方式制備出PVC/稻殼木塑復(fù)合材料以及研究了玻璃纖維(GF)及偶聯(lián)劑含量對PVC/稻殼木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;實驗結(jié)果表明,玻璃纖維含量為15%時,材料的耐磨性達(dá)到最佳,其中拉伸強度和沖擊強度在15%時最大,硬度在10%時最小,彎曲強度在15%時最?。徊捎肒H550增強材料效果較佳,而鈦酸酯增強效果不明顯。王桂英等[19]通過擠出成型方式制備出PVC/稻殼粉復(fù)合材料,同時探求ACR、CPE和 DOP三種助劑對PVC/稻殼粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;實驗結(jié)果表明,三種助劑在相同用量的情況下,ACR和CPE對復(fù)合材料增韌效果比DOP好,其中ACR可大幅度提升材料的拉伸強度和彎曲強度,CPE增強材料沖擊強度效果最佳。當(dāng)PVC/稻殼粉復(fù)合材料力學(xué)性能較佳時,拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度分別為61 MPa、18.5 kJ/m、64 MPa。王磊等[20]考察稻殼水熱、微波、堿、苯甲?;A(yù)處理對PVC/稻殼復(fù)合材料在模擬土壤老化條件下抗老化及熱學(xué)行為的影響;實驗結(jié)果表明,苯甲酰化處理和堿處理的抗老化性能、耐熱性優(yōu)于水熱處理和微波處理,預(yù)處理復(fù)合材料較未處理復(fù)合材料的各項力學(xué)性能都有所提高,苯甲?;幚淼睦鞆姸群陀捕确謩e提高了103%、119%;吸水率降低了55.6%;堿處理的拉伸強度和硬度分別提高了97.4%、80.7%;吸水率降低了51.4%;水熱處理的拉伸強度和硬度分別提高了60.9%、38.5%;吸水率降低了36.4%;微波處理的拉伸強度和硬度分別提高了43.4%、23.1%;吸水率降低了30.3%。

        2.2 PP/稻殼復(fù)合材料

        聚丙烯無毒,將稻殼填充得到的綠色復(fù)合材料可應(yīng)用于家用管材、食品包裝、醫(yī)療用品等領(lǐng)域具有高消費量和廣闊的開發(fā)前景;因此越來越多的學(xué)者進(jìn)行對聚丙烯的研究。李文軍等[21]采用氫氧化鈉-氨基硅油改性稻殼,將改性稻殼填充通過注塑成型制備出稻殼/聚丙烯復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)隨著稻殼含量增加,材料的耐熱性能越好;改性處理比未處理材料的吸水率隨著稻殼纖維含量為5%、15%、25%分別下降了10.9%、11.5%、24.9%;在15%時制得的復(fù)合材料力學(xué)性能最佳。Vijaykumar Guna等[22]以稻殼和花生殼為填料制備綠色建筑材料雜化聚丙烯生物復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)在稻殼:花生殼:聚丙烯為60:20:20時,復(fù)合材料具備較好的拉伸強度和彎曲強度,分別為15.6 MPa和37.6 MPa。制得的復(fù)合材料的阻燃性能與石膏基材料相當(dāng),而吸水率比石膏基材料低85%。徐盼盼等[23]研究了由熱壓成型方式制備出稻殼/聚丙烯復(fù)合材料的阻燃性能,研究發(fā)現(xiàn)三聚氰胺聚磷酸鹽(MPP)和籠狀季戊四醇磷酸酯(PEPA)組成的阻燃劑可以有效提高復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度;分別增加了42.3%和53.6%。并且將復(fù)合材料的殘?zhí)柯视?6.3%提高到了30.3%。張麗等[24]探求了稻殼粉含量對稻殼粉/pp復(fù)合材料性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著稻殼含量的增加拉伸強度、沖擊強度、斷裂伸長率呈現(xiàn)降低的趨勢,而硬度、彎曲強度則與之相反。

        2.3 PLA/稻殼復(fù)合材料

        聚乳酸是完全可生物降解的低碳材料,可實現(xiàn)資源循環(huán)利用,對環(huán)境毫無污染;聚乳酸具備其他熱塑性塑料無法匹敵的優(yōu)勢,在塑料性能研究一直是非常熱門的領(lǐng)域。Nizamuddin Sabzoi等[25]以微波輔助水熱處理稻殼,研究該處理方法對聚乳酸/稻殼復(fù)合材料性能影響,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料(聚乳酸含量為5%、10%、15%、20%)的拉伸模量分別達(dá)到了3.16 GPa、3.33 GPa、3.54 GPa、4.24 GPa,較純聚乳酸分別提高了20.2%、26.6%、34.6%、61.2%。趙泊祺等[26]研究了不同增韌劑對PLA木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,實驗結(jié)果表明,玻璃纖維提高復(fù)合材料的綜合性能效果比乙烯-辛烯共聚物(POE)和碳酸鈣好,玻璃纖維含量為20%時復(fù)合材料的各項力學(xué)性能達(dá)到最佳,其中洛氏硬度值達(dá)68,拉伸強度為6.16 MPa,彎曲強度為15.41 MPa,沖擊強度為144.40 kJ/m2,而材料吸水率上升;則在三種增韌劑中POE降低材料的吸水率效果最為明顯。Jamshid等[27]研究了漂白稻殼(BRH)去木質(zhì)素對提高聚乳酸復(fù)合材料性能的影響,實驗結(jié)果表明,漂白稻殼(BRH)與稻殼(RH)試樣相比較,試樣的硬度、沖擊強度和彈性模量均有提高,木質(zhì)素的去除有利于改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。葛通等[28]采用添加偶聯(lián)劑改變稻殼/聚乳酸復(fù)合材料界面相容性,結(jié)果表明鈦酸酯與硅烷偶聯(lián)劑能使材料硬度提高了51.8%和41.8%;彎曲強度下降了76%和13%;在此基礎(chǔ)上硅烷偶聯(lián)劑填充的材料的拉伸強度達(dá)到最高,為11.83 MPa。

        3 討論及問題

        (1)四種預(yù)處理都能改善稻殼的品質(zhì),對復(fù)合材料的抗熱變形、抗老化、抗吸水潤脹都有明顯的效果。水熱和酸處理能去除稻殼內(nèi)部分灰質(zhì)和堿金屬,增大了稻殼的比表面積,有利于稻殼纖維與物料接觸黏結(jié)。堿處理和微波處理均能破壞稻殼表面的木質(zhì)素,而且對稻殼纖維進(jìn)行改性,使其結(jié)構(gòu)有利于與熱塑性基體相容,提升復(fù)合材料的力學(xué)性能;堿處理的稻殼提升效果最為明顯。

        (2)目前稻殼木塑復(fù)合材料在市場產(chǎn)品上的應(yīng)用還是鮮有報道,稻殼木塑復(fù)合材料能在市場產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用還需解決以下幾個問題:①稻殼產(chǎn)地分散,收集、運輸、加工耗資巨大,需完善相關(guān)的產(chǎn)應(yīng)鏈。需要國家政策上的支持,加強相關(guān)企業(yè)與研究機構(gòu)結(jié)合,將研究成果轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品應(yīng)用到市場。②稻殼木塑復(fù)合材料老化嚴(yán)重、性脆、耐熱性差是其最大的缺點,許多學(xué)者致力于其增塑劑,增韌劑這方面的工作,稻殼具備強極性和吸水性,而熱塑性塑料大部分是非極性和疏水性,兩者界面黏結(jié)性差,在進(jìn)行增塑,增韌過程中探索新型優(yōu)良的改性劑顯得極為重要。

        4 結(jié) 語

        以稻殼為填料的木塑復(fù)合材料替代以木纖維、竹纖維為填料的木塑復(fù)合材料,不僅可以減少森林資源的過度利用,而且切合保護(hù)環(huán)境和合理利用環(huán)境資源,提高資源利用效率的基本國策。由于稻殼與熱塑性塑料性能上的差異,其復(fù)合材料存在界面相容性差、老化嚴(yán)重、力學(xué)性能不足等缺點,極大地影響了其使用壽命和應(yīng)用領(lǐng)域。因此之后的研究方向可在稻殼纖維與基體界面相容原理及優(yōu)化稻殼塑料基復(fù)合材料的力學(xué)性能方面努力,以期得到性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的綠色環(huán)保材料。

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