有机改性蒙脱土增强核桃壳/聚丙烯复合材料外文翻译资料

 2022-09-11 22:24:37

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有机改性蒙脱土增强核桃壳/聚丙烯复合材料

摘要：本文介绍了核桃壳/聚丙烯复合材料和木粉/聚丙烯复合材料的制备与表征。研究有机蒙脱土（OMMT的影响，0，3和5 wt.%）作为增强剂和MAPP偶联剂（4和6 wt.%）的机械和物理性能。通过熔融复合和随后的热压机生产的复合材料。由此产生的复合材料的性能是可以接受的的而且与木粉性能具有可比性，最高机械性能的改善达到加载3%有机粘土和6%MAAP。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对纳米复合材料的表面形貌进行了分析。扫描电镜研究证实核桃壳粉良好的作用与有机粘土对这种效果的改善。透射电镜研究显示更好的分散在聚合物基体复合材料的3 wt.%硅酸盐层（PMCS）在黏土上。

1.介绍

人类社会和经济的发展，取决于现有资源的最佳利用率[1]。在近十年来，日益加剧的全球能源危机和生态环境问题的风险已经吸引了越来越多的研究兴趣在生物基混合物[2,3]领域。木质纤维素材料相较于传统的钢筋等材料具有低成本、低密度、非毒性、可回收、强度适中、生态友好等无可争辩的势，而且具有可燃性并片解决了最小的废物处理问题[4–7]。

纤维增强的复合材料具有高强度重量比，而且提高了尺寸稳定性、更好的环境性、降解性相较于传统的复合材料。森林工业中农业残留物的工业使用中存在一些问题，包括高成本收集，运输和储存。解决这些问题可以通过建立靠近农村的小规模工厂[8]。一个选择农业残留物已成功地应用于复合材料制造业[9]。

伊朗作为一个发展中国家，对其林业产业需求的补充有着至关重要的问题。因此，几个研究人员在伊朗和其他发展中国家调查了以生物为基础的残留物的适用性，包括废弃木材[10]、小麦麦秆[11]、杏仁壳[8]、核桃壳[12]、扁担OPTIVA[13]等在木基复合材料的生产中。

核桃壳在伊朗没有经济价值或工业用途，一般是被丢弃或在冬天的炉子烧。作为每年的农业废弃物，核桃壳是一种木质纤维素材料与木材的化学成分相似，由于核桃壳在伊朗的数量可观，所以对于生产木基复合材料聚合物的可行性评价具有很高的重要性。核桃壳作为纤维素在聚合物复合材料的户外应用时，其尺寸稳定性有明显的竞争优势，如地板或墙板。这些优势，较低的数量的吸湿性材料（纤维素和半纤维素）和高的疏水材料的量（木素和抽提物）等常常拿来和核桃壳比较[8]。全球核桃产量约为220万吨，2009年共有83万4000公顷种植核桃。自核桃壳包括67%的水果的总重量，约150万吨核桃壳每年留下[8]。

纳米技术引入了一个很大的机会，对于森林工业发展新产品，也增加了研究纳米复合材料的吸引力，也包括了粘土状硅酸盐表层[1]。由于纳米粘土有高纵横比（100-1000）和非常高的表面体积比（700-800平方米/克），它建立在非常低的填料含量的各种聚合物的显著改善（小于5%重量），远低于使用传统的微米级填料(20 wt.%) [10]。

在伊朗核桃壳是一个未被充分利用的农业废弃物，没有工业的使用，或者焚烧或者直接倒掉。另一方面，伊朗作为一个发展中国家并没有有足够的原材料供应其森林工业的需求。核桃壳可以有效缓解森林工业原材料短缺，而且有可能可以更有效地利用核桃壳。参考文献[15]研究了核桃壳的可行性以脲醛基复合材料。参考文献[8]研究了对刨花板制造用核桃壳的潜力。因此，本研究的目的是核桃壳粉/聚丙烯的力学性能和形态特性复合材料与木材复合材料的比较研究。

  1. 材料与方法

2.1 材料

2.1.1木质纤维素材料

在伊朗南部科尔曼市，由干果胡桃商提供胡桃壳。在使用前，首先将壳里的污垢和杂质清理干净，然后用Thomas-Wiley的碾磨工将壳研磨成粉。杨树的木粉也由当地厂商提供。使用那些通过40网眼，然后又被60网眼的屏幕捕捉到的粒子。然后将粒子置于103 plusmn; 2 摄氏度的实验炉中24小时，使粒子中的水分达到目标含水量(1–3%)。我们预测，胡桃壳粉和聚丙烯的混合物的最佳比例是50%。

2.1.2 聚合物基质

聚丙烯（PP）和V30S，是由阿拉克石化有限公司（伊朗）以颗粒的形式提供的注塑级（耦合单元）。

2.1.3偶联剂

马来酸酐接枝聚丙烯，密度为0.91 g/cm3，融化指数为64 g/10 min，顺丁烯二酸酐为2%，由伊朗Kimia Javid Sepahan 有限公司以粉末的形式（等级为101的接枝聚丙烯）获得。

2.1.4 纳米颗粒

有机蒙脱土（OMMT）,商标名为Cloisite 15A，以粉末形式被用作纳米颗粒。自然蒙脱土改性二甲基,种脂,2-乙基己基季铵(CEC = 125meq/ 100 g粘土,d001 = 31.5A)是来自美国南部粘土产品。

2.2 样品制备

用于各自的混合配方的处理方法在表1中给出。复合材料的生产需要两个阶段，第一阶段，在送入挤压机的第一区前，按照规划将原材料进行物理预混。所有的实验都是在同向旋转双螺杆挤出机进行。在1、2、3、4区内，挤出机的筒体温度在分别控制在165、170、175和180摄氏度。死区的溶解温度为185℃，旋转速度为40rpm。在第二阶段，挤压链通过一个水浴，造粒，并随后在100 plusmn; 3℃中干燥24小时，以消除所有水分。由此产生的颗粒被放置在190℃的实验室规模液压热压机（OTT,德国）中10分钟，最后冷却到室温下压力。加热的压力控制在3.5MPa.

3.测量

3.1化学成分和溶解度

对核桃壳的化学成分进行了测定和标本采样均按照TAPPI T 257cm [17]标准。综纤维素和纤维素含量确定根据氯化物法[18]。木质素222cm [19]和灰吨211cm有机质[20]的内容进行了测量。酒精-苯T 204cm [21] 热，冷的水T 207 [22]和1%氢氧化钠212 OM [23]溶解度的测定。

3.2机械特性

拉伸和弯曲性能，使用万能试验机进行（Schenk特雷伯尔）测试，根据英国BS标准（CEN ISO/TS 15534-1:2007）[24]。试样进行了测试在室温下2毫米/分钟的十字头速度。5组的测试值的平均值为标本。

钉子和螺钉退出测试（ASTM：d1037-12）确定需要从面板试样拉钉或螺钉的载荷。螺纹长度为18毫米。每一个试样在测试之前，钉子和螺丝钉用手驱动垂直于面板中（18毫米）。每个样品钻进一个直径4毫米的导向。为了达到所需的试样厚度，将两只板粘在一起。对于退出试验，标本长度为80毫米，30毫米的宽度和20毫米的厚度。三钉和三每种复合材料的螺钉进行了测试。在室温（23plusmn;2℃）钉子和螺丝钉在一个均匀的速度撤回（2毫米/分钟）直到最大负荷。

3.3 尺寸稳定性试验

厚度膨胀（TS）和吸水性试验根据ASTM标准进行：d570-98。在测试之前，样品的重量和尺寸，即每一个的长度、宽度和厚度都是被测量的。每一个条件下样本复合材料都是浸泡在蒸馏水在温度为室温的房间里24 h。在浸泡时间结束时，试样被取出来后，用干净的抹布擦干表面的水。五个重复样本进行了测试，每个复合配方。根据水吸收计算下面的方程。

(1)

其中WA是吸收率，M1和M2是浸泡前后试样的重量（克），TS所占比例的可以用来下面公式的计算。

(2)

其中T1和T2的是样品的初始厚度和湿样品的厚度。

3.4 统计分析

实验设计包括双变量因素（即OMMT和MAPP）及其相互作用。每个数据都用

方差分析法进行统计学分析。方差分析表明，在不同的因素和水平都有其统计学意义。采用的手段进行了比较邓肯的多个范围测试（DMRT）识别组，在95%置信水平上，与其组数据有显著差异。

3.5 形态研究

3.5.1 X射线衍射（XRD）

X射线衍射仪是用来测量间距在纳米复合材料中的硅酸盐层。XRD在布鲁克X射线衍射仪进行（D8 Advanced）采用铜钾辐射（lambda; = 1.51 nm）。样品在2–10°范围内进行扫描速率在为0.3/min，发电机在40 kV和30mA下运行。层间距（d001）计算按照布拉格定律：

（3）

其中d是平面之间的间距，是衍射角度的一半，n是衍射的顺序（n=1），是X射线的波长（=1.5nm）。

3.5.2 扫描子显微镜（SEM）

利用扫描电子显微镜测定的均匀性和复合材料的断裂模式（Hitachi HHS-2R）。所有样品在分析之前在其表面镀金（Au），以消除电子充电。然后在液氮中进行冷冻断裂和断裂拉伸试验。

3.5.3透射电子显微镜（TEM）

研究了纳米粒子在复合材料中的分散性.利用透射电子显微镜（Zeiss EM 900）在加速电压50-80千伏.

4 结果和讨论

4.1化学成分和溶解度

核桃壳的某些化学成分和硬/软木列于表2。核桃壳间的比较硬/软表明，核桃壳有最低全纤维素（47.1%）和纤维素（23.9%）内容。依据木质素，核桃壳的最高含量（50.3%）相比硬木和软木。核桃壳灰分含量多高于硬木和软木。苯的溶解度靠近木头。1%氢氧化钠溶解度高于木材。热水溶性高于硬木和软木。最后，核桃壳的冷水溶解度较高比软木和硬木。

4.2力学性能

4.2.1弯曲性能

力学性能分析总结表3。核桃壳粉基复合材料弯曲强度的研究范围从15.01兆帕至22.67兆帕，弯曲模量范围1.41~2.08GPa。为了比较，这些值的木粉/聚丙烯复合材料分别为26.64 MPa和2.9 GPa。抗弯强度和聚合物基复合材料弹性模量的平均值–（PMCS）与粘土和偶联剂不同用量如表3所示。方差分析对有机蒙脱土和MAPP含量的影响及他们在一些物理和机械性能上的相互作用如表格4。复合材料的弯曲强度和模量与MAPP和有机粘土含量显著不同。从曲线很明显，弯曲强度和弹性模量的增加，发生在与有机粘土填充聚合物基体。3%有机粘土和6%的复合材料显示图最高的强度和弹性模量弯曲，而最低的性能与复合材料没有有机粘土和含4%MAPP。随着粘土增加至3 wt.%，抗弯强度和模量提高，后两者的性能都有减少。3 wt.%的有机粘土力学性能的改善荷载可以归因于有机黏土粘土的高刚性和高宽比下的渗流点有机粘土[ 10，25 ]。在3 wt.%的有机粘土降低弯曲强度和模量可以集聚相关有机粘土[ 10,26 ]。这种现象在使用6% MAPP偶联剂时更为强烈。最大抗弯强度模量值为22.67 MPa和2.08 GPa和有机粘土复合材料3%和6%映射，而这些数量分别为15.01 MPa和1.41 GPa的复合材料没有有机粘土和4%分别对应。核桃壳具有较高的木素和抽出物含量和低得多的纤维素以及全纤维素含量比木材。木质素含量高的木质纤维素材料的脆性增加，而高纤维素含量降低其脆性[ 27 ]，此外，核桃壳具有较高的灰分，具有对键合的负效应[ 8 ]。

4.2.2拉伸性能

核桃壳粉基复合材料的拉伸强度从9.98 MPa增加到17.42 MPa时，拉伸模量为1.88 GPa到4.88 GPa。相比之下，这些价值观对木粉/聚丙烯复合材料分别为19.46 MPa和3.2 GPa，拉伸强度和轻微但有机粘土含量显著不同的MAPP含量复合材料的弹性模量。作为MAPP和有机粘土含量的功能类似于前面讨论的模量和弯曲性能的木塑复合材料拉伸性能的趋势。3%有机粘土和6% MAPP复合材料表现出最高的拉伸强度和弹性模量（分别为17.42 MPa和4.88 GPa），而没有有机粘土复合材料和含4% MAPP具有最低的性能（分别为9.98 MPa和1.88 GPa，）。随着有机粘土最多3重量%和5重量%并降低掺入材料的拉伸强度和模量增加。这是众所周知的，纳米尺度的填料具有非常高的纵横比，可以提高聚丙烯的拉伸强度和模量。在5重量%的有机粘土降低拉伸强度和模量与纳米粒子的团聚[10,26]。所观察到的增加归因于存在的MAPP提高界面粘结的核桃壳粉与PP基体。类似机械性能的结果已经报道了许多生物材料由不同的研究人员[8,10,26,28]。

4.2.3螺钉和拔钉强度

核桃壳粉为基础的复合材料的螺钉拔力范围从121.3个/毫米到139.4个/毫米，钉的强度范围从43.8个/毫米到58个/毫米。为了进行比较，这些值的木粉/聚丙烯复合材料分别为141.5个/毫米和64.7个/毫米分别。螺丝钉的强度变化趋势是类似的弯曲和拉伸强度，复合材料3%的有机粘土和6% MAPP了显示最高螺丝钉强度（分别为139.4 N / mm和58 N / mm），而没有有机粘土复合材料和含4% MAPP具有最低的性能（分别为121.3 N / mm和43.8 N / mm）。如前所述，增加钉强度在3%有机粘土和6% MAPP的理由是由于弯曲和拉伸强度。

4.3物理性质

4.3.1吸水厚度膨胀

水的吸收是一个在木塑复合材料的质量评价的关键参数。亲水性表示的填料表面诱导的羟基基团，能够相互作用，形成相互间分子内的氢键的特征。在这方面，填料的化学成分的复合材料[ 8,29 ]吸水性能起着重要的作用。在水中浸泡后24小时后，核桃壳粉复合材料的吸水范围从0.53%到

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