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生物质炭增强复合材料的制备及其性能研究

2020-12-03阅读(704)

生物质炭增强复合材料的制备及其性能研究

论文摘要

复合材料是由两种或多种材料组合而成的材料。与原材料相比,复合材料在比强度、耐疲劳性、加工工艺和可设计性上具有明显优势。目前对复合材料的研究,多为以无机填料进行填充复合。石墨化生物质炭具有生物质炭固有的骨架结构,可为复合材料的制备提供支撑作用。同时石墨层间富含的官能团可以与高分子聚合物有效的融合,有效地提高材料的性能。本论文以毛竹和辐射松为主要原料,通过高温热处理,制备得到部分石墨化的生物质炭,利用一系列表征手段,如扫描电子显微镜,拉曼光谱仪,X-射线衍射分析,红外光谱分析等对生物质炭的结构及表面官能团进行研究。通过优化升温速率、保温时间、热解温度的条件,探究生物质最佳热解工艺。再将最佳热解工艺制备所得的生物质炭与PE树脂复合。研究结果表明,热解得到的生物质炭显示出一定的石墨化程度,生物质炭也保留了生物质原有的多孔结构特征;并且石墨化生物质炭可有效增强复合材料的刚度和硬度等物理强度。本论文主要分为以下三个部分:（1）以毛竹和辐射松为原料,分别在氮气保护和空气接触的条件下进行1300℃高温热解以制备生物质炭。由于毛竹中木质素含量高于辐射松,导致毛竹生物质炭得率（氮气保护下,27.4%）高于辐射松生物质炭（氮气保护下,22.0%）。与空气接触热解相比,氮气保护热解产生的生物质炭得率略高4.2-7.3%。通过拉曼光谱仪、X射线衍射（XRD）和FT-IR分析可知,竹基生物质炭和木基生物质炭均部分石墨化且后者石墨化程度高于前者。通过扫描电子显微镜（SEM）观察,热裂解后,生物质炭保留了原料中的多孔结构。生物质炭在空气接触下热解,表面会生成较多白色金属氧化物,从而影响生物质炭的表面光滑度。由于毛竹和辐射松在结构复杂程度上的不同,导致生物质炭空间的构造具有明显差异,这为后面更有效的利用生物质炭提供依据。（2）以毛竹、绿竹、麻竹、辐射松为原料,在氮气保护条件下,分别进行热解温度为900℃、1100℃和1300℃;升温速率为120℃/h、200℃/h和280℃/h以及保温时间为1 h、2 h和3 h的高温热解以制备生物质炭。通过拉曼光谱仪、X射线衍射（XRD）分析,探究热解工艺对生物质炭的影响,得出最佳热解工艺。分析结果可知,热解温度的提高、升温速率的增加,对提高生物质炭的品质有较大影响,随着保温时间的增加,生物质炭的品质有可能会下降。研究表明,最佳热解工艺1300℃热解温度,升温速率为280℃/h,热解时间为2 h条件下热解得到的生物质炭石墨晶型规整,石墨化程度高。（3）将最佳热解工艺制备得到的生物质炭,即升温速率280℃/h、1300℃的热解温度和2 h保温时间下得到的毛竹基生物质炭、绿竹基生物质炭、麻竹基生物质炭、辐射松基生物质炭等四种生物质炭,分别以10%和30%的比例添加到PE中,制备得到复合材料。通过扫描电子显微镜（SEM）、动态热机械分析（DMA）和万能试验机分析可知,通过添加30%麻竹基生物质炭,复合材料的拉伸强度和拉伸模量,分别提高了61%和261%,断裂伸长率减少了89.0%。同时,辐射松基生物质炭的添加,有效地减缓了复合材料的储能模量的减少,30%辐射松炭复合材料与纯PE的差异由-100℃的8.4%,在50℃下提升到81.7%,热稳定性提升较为明显,同时损耗因子有一定程度的提高。与纯PE相比,生物质炭复合材料粘度上升速率减小,展现出了生物质炭在耐高温材料中的应用潜力。同时,生物质炭的添加,对复合材料的热稳定性也有一定程度的增强。通过扫描电镜,初步阐明了生物质炭通过限制聚合物的流动性,增强复合材料的物理强度,为进一步开发高强度复合材料提供了有效途径。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 生物质
  •     1.1.1 生物质的利用
  •     1.1.2 生物质的热解技术
  •   1.2 生物质炭
  •     1.2.1 生物质炭概况
  •     1.2.2 生物质炭的制备
  •     1.2.3 生物质炭在复合材料中的应用
  •   1.3 聚乙烯（PE）
  •     1.3.1 高密度聚乙烯
  •     1.3.2 线性低密度聚乙烯
  •     1.3.3 超高分子量聚乙烯
  •   1.4 本研究的主要内容、方法和预期结果
  •     1.4.1 本研究的目的和内容
  •     1.4.2 本研究的主要方法
  •     1.4.3 本研究的预期结果
  • 第二章 不同热解环境对生物质炭的影响
  •   2.1 引言
  •   2.2 实验部分
  •     2.2.1 实验原料
  •     2.2.2 实验设备与仪器
  •     2.2.3 实验内容
  •   2.3 生物质炭的表征与分析
  •     2.3.1 生物质炭得率
  •     2.3.2 原料化学成分分析
  •     2.3.3 X射线衍射分析（XRD）
  •     2.3.4 拉曼光谱分析
  •     2.3.5 FT-IR分析
  •     2.3.6 扫描电镜分析（SEM分析）
  •   2.4 实验结果与讨论
  •     2.4.1 得率分析
  •     2.4.2 纤维形态分析
  •     2.4.3 X射线衍射（XRD）
  •     2.4.4 拉曼光谱分析
  •     2.4.5 表面官能团
  •     2.4.6 扫描电子显微镜（SEM）
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 生物质炭热解工艺优化
  •   3.1 引言
  •   3.2 实验部分
  •     3.2.1 实验原料
  •     3.2.2 实验仪器与设备
  •     3.2.3 原料化学成分分析
  •     3.2.4 生物质炭的制备
  •   3.3 生物质炭的表征与分析
  •     3.3.1 生物质炭的X射线衍射（XRD）测试
  •     3.3.2 生物质炭的拉曼光谱分析测试
  •     3.3.3 原料化学成分分析
  •   3.4 结果与讨论
  •     3.4.1 热解温度对生物质炭制备的影响
  •     3.4.2 热解升温速率对生物质炭制备的影响
  •     3.4.3 热解时间对生物质炭制备的影响
  •     3.4.4 材种对生物质炭制备的影响
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 生物质炭/PE复合材料制备
  •   4.1 引言
  •   4.2 实验部分
  •     4.2.1 实验原料
  •     4.2.2 实验仪器与设备
  •     4.2.3 复合材料的制备
  •   4.3 生物质炭复合材料的表征与分析
  •     4.3.1 生物质炭复合材料的拉伸性能测试
  •     4.3.2 生物质炭复合材料的动态热机械（DMA）性能测试
  •     4.3.3 生物质炭复合材料的断面分析
  •     4.3.4 生物质炭复合材料的热重分析
  •   4.4 结果与讨论
  •     4.4.1 生物质炭/PE复合材料的拉伸性能
  •     4.4.2 生物质炭/PE复合材料的DMA分析
  •     4.4.3 生物质炭/PE复合材料的断面分析
  •     4.4.4 生物质炭/PE复合材料的热稳定性分析
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 总结、不足与展望
  •   5.1 结论
  •   5.2 不足与展望
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 赖润燊

    导师: 黄方,杨大可

    关键词: 生物质炭,热解,石墨,复合材料

    来源: 福建农林大学

    年度: 2019

    分类: 工程科技Ⅰ辑

    专业: 材料科学

    单位: 福建农林大学

    分类号: TB33

    总页数: 65

    文件大小: 3798K

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