论文总字数：13905字

摘 要

随着绿色生活观念的推广，消费者们对于“自然”消费品的追求逐渐增加，然而我国自然资源稀缺的国情决定了其价格不会符合大众需求。追求自然只能是高消费人群的权利？并不会，仿藤条的出现完美解决了这一矛盾。然而，与发展历史悠久的天然藤制品相比，仿藤条出现的时间实在太短，各种问题如质地过硬、透气性差、不可降解等亟待解决。

本文主要针对不同PE基树脂对于仿藤条性能的影响进行探究，具体包括不同PE基对复合材料的力学性能有何影响，MAH-g-PP对仿藤条性能的影响。

本文主要结论如下：HDPE与LLDPE按1：1混合最适合制作仿藤条；MAH-g-PP添加量4%~5%最佳。

关键词： 聚乙烯 秸秆 仿藤条

Analysis on the performance difference of different PE based straw plastic vines

Abstract

With the promotion of the concept of green life, consumers’ pursuit of natural goods has gradually increased. However, the scarcity of natural resources in our country determines that their prices will not meet the needs of the public. Pursuit of nature can only be the right of high-consumption consumers? And not, the emergence of imitation rattan perfectly solves this contradiction. However, compared with natural rattan products which really has a long history of development, the time for imitation rattan sticks’ exist is too short. Various problems such as hard texture, poor air permeability, can’t be biodegraded and so on, are urgently to be solved.

This article mainly focuses on the effect of different PE-based resins on the performance of rattan. Specifically, it includes the effect of different PE-based materials on the mechanical properties of composites, and the effect of MAH-g-PP on the performance of rattan.

The main conclusions of this paper are as follows: Mixing HDPE and LLDPE in a 1:1 manner is most suitable for making rattan. The addition amount of MAH-g-PP is 4% to 5%.

Keywords: polyethylene；straw；rattan

摘 要 2

第一章 绪论 6

1.1 课题研究背景 6

1.1.1 聚乙烯利用现状及性能差异 6

1.1.2 秸秆利用现状 6

1.1.3 木塑复合材料 8

1.1.4 秸塑复合材料 8

1.1.5 仿藤条的研究进展 8

1.2 PE基秸塑仿藤条 9

1.3 研究的目的及意义 9

1.4 研究内容及创新点 9

第二章 不同聚乙烯性能分析及麦秸秆的改性处理 10

2.1 材料与器材 10

2.1.1 实验材料 10

2.1.2 实验仪器 10

2.2 实验方法 11

2.2.1 麦秸秆的改性 11

2.2.2 改性麦秸秆性能检测 11

2.3 结果与讨论 12

2.4 本章小结 13

第三章 三种PE基塑料对复合材料力学性能的影响 14

3.1 实验材料 14

3.2 实验仪器 14

3.3 实验方法 14

3.4 结果与讨论 15

3.5 本章小结 17

第四章 不同PE基秸塑仿藤条的制备及力学性能分析 17

4.1 材料与器材 18

4.1.1 实验材料 18

4.1.2 实验设备 18

4.2 实验方法 19

4.2.1 实验材料的准备 19

4.2.2 秸塑仿藤条的生产工艺 19

4.3 不同PE基秸塑仿藤条性能检测 21

4.6 结果与分析 22

4.7 本章小结 25

第五章 总结 25

绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 聚乙烯利用现状及性能差异

PE即为聚乙烯，由乙烯聚合而成，作为高分子材料使用时，平均相对分子质量一般为1万以上。聚乙烯的化学组成和分子结构相对简单，是目前世界塑料中使用最多的品种。

PE树脂表现为乳白色的粉末或者乳白色颗粒，无毒性且无刺激性气味，摸起来有腊质的感觉。PE为非极性材料，疏水，此外难以印刷和粘合，经表面处理可以改善。

按照密度和相对分子量的高低，聚乙烯分为高密度聚乙烯与低密度聚乙烯；低密度聚乙烯根据聚合方式的不同，又可以分为普通的低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯。

低密度聚乙烯（LDPE）俗称高压聚乙烯，质软，常用作塑料或农业用膜。

高密度聚乙烯（HDPE）又叫低压聚乙烯，与另两种相较有耐温、抗环境应力开裂性，此外聚乙烯抗冲击性和耐寒性能都很好，主要用于吹塑与注塑领域。

线性低密度聚乙烯（LLDPE）为共聚物，其有光泽，具有抗弯曲和耐应力开裂性的优点。

1.1.2 秸秆利用现状

一方面，我国人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，森林资源相当紧张。

另一方面，我国身为农业大国，每年所产生的秸秆量超过6.6亿吨，可谓是十分丰富的潜在资源。然而经统计，近1/3的秸秆资源被废弃以及露天燃烧，这不仅是资源的浪极大费，也对生态环境造成了不利影响。

两相比较，合理利用秸秆资源来缓解我国木材资源紧张的局面显然成为了相当可行的办法，而事实上，它也正是当前的热门话题。

小麦秸秆主要包含纤维素，木质素以及半纤维素。一方面，木质素与半纤维素并不耐热，当温度达到160℃时就会发生降解反应，分解为小分子化合物，使得材料弹性模量和张力强度下降。此外，羟基间通常会形成氢键，使得羟基的可及性降低，所以满是羟基的纤维素分子极易形成内表面，内表面的形成直接影响了纤维素与热塑材料的结合。另一方面，麦秸纤维为极性材料与非极性的热塑性树脂理论上不可容，为了获取性能稳定的小麦秸秆纤维、提高纤维素的可及度进而提高其反应速度与反应程度，我们需要对小麦秸秆进行提前的改性处理。

1. 物理方法

物理方法并不改变小麦秸秆表面的化学组成，而是在一定程度上改变其表面纤维素结构，令其能与热塑性树脂有更好的表面相容性。

目前最常用的物理改性方法是蒸汽爆破法。蒸汽闪爆技术是将物料和水置于密闭容器中加热（200℃~250℃），保压（4MPa左右）维持一段时间，然后突然降压。突然降压令早已充斥纤维的水蒸气产生强烈爆破力与碰撞力，从而将纤维素破碎。此方法对羟基间氢键的破坏极为有效。

热处理法即是将麦秸秆进行高温干燥处理，加热过程中，存在于小麦秸秆纤维内部的水会蒸发出去，使得制备的复合材料产生空隙。经热处理的复合材料的拉伸和弯曲性能均高于未处理的复合材料，吸水性也有所降低。

此外还有机械球磨、液氮处理、电子束辐照和微波处理等

1. 化学方法

最常见的化学处理方法是碱处理法，也叫做墨赛丝光处理法。在小麦秸秆的表面，有一层致密、平滑的腊状物，这层腊质严重阻碍了热塑基体材料与秸秆的粘合。对小麦秸秆进行氢氧化钠溶液浸泡处理，可以打破醚键和脂键，溶解表面腊状物和果胶等，得到较为纯净的麦秸纤维素，同时，由于杂质的溶解，杂质原来的地方空了出来，为热塑基体材料预留了位置，使得两者的粘合更加顺利且牢固。

偶联剂是一种具有两性结构的物质，其分子结构中存在两种官能团，其一与能亲水基团结合，另一种则可以同疏水基团发生化学反应；小麦秸秆纤维为强极性与身为非极性的热塑性树脂在本质上无法相融，运用偶联剂则能很好的解决这一问题。运用最广泛的偶联剂为硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂，而相对于浸泡、混合与搅拌，喷洒偶联剂的添加方式因其节约偶联剂以及分布更均匀的优点更受实验者们的喜爱。

除此之外，化学改性的方法还有酸处理、氧化处理、表面接枝、乙酰化处理等。化学改性方法主要以改变小麦秸秆纤维表面的化学构成，通过提高纤维与树脂基体的相容性，使纤维在基体中分布更均匀来使得复合材料的力学性能得以提升。

1. 生物方法

秸秆处理的生物方法主要有两种，其一为微生物法，即利用微生物的降解能力，常用如白腐菌、软腐菌，微生物降解周期极长，所以除了实验室，基本没有应用事例；生物酶法则利用相应如木聚糖酶、果胶酶等对秸秆进行处理，通常与其他处理方法相结合使用。

1.1.3 木塑复合材料

1983年，美国生产出了第一批木塑复合材料（WPC）。

近年来，由于森林面积和以石油资源为基础的资源日益减少，社会环保意识日渐增强，WPC作为新型环保材料受到了极大的推崇。

WPC是利用天然植物纤维填料和塑料为主材料，通过界面改性等手段，将废弃天然植物纤维与废旧塑料与助剂一起融制成的一种绿色环保、环境友好新型材料。该种材料耐腐蚀、强酸碱、力学性能优异、热学性能相对稳定，兼之原料丰富低廉，有着极为广阔的应用前景。

日本多地震，为减少二次灾害的威胁性，质轻防水的WPC仿佛成了首选。当前木塑制品在日本的使用程度非常可观，主要为房屋建设以及水产养殖设施等。

我国则多用于室内家具，农业制品和室外景观制品等。

1.1.4 秸塑复合材料

随着国民经济的日渐发展，木材资源短缺的问题日渐显露出来，研究者们对木塑复合材料的原料选择逐渐从木材转向农作物秸秆。我们特别的将以全生命周期低于一年的植物纤维生物质，即以农作物秸秆、外来入侵植物（如大米草、加拿大一枝花黄的秸秆等）或其他生物质废弃物（如银杏叶渣、烟草等）为原材料的木塑复合材料单独划分出来，称之为秸塑复合材料（SPC）。

1.1.5 仿藤条的研究进展

仿藤条是指外观性能与天然藤条相近，并在一定程度上对天然藤条的缺陷加以针对性的补足与改进的人造合成藤条。相对于天然藤条制品，仿藤条编制的家具具有抗老化能力强，成本低廉，更加坚固牢靠的优点，适用于更多居家条件。

目前主要的仿藤条为纸藤和塑料仿藤条。纸藤为黎明纸绳的一种功能延伸，主要以牛皮纸等纸质材料为原料，具有寿命长，耐磨性好，不易发霉变性的优点。其制成的家具造型美观，自然舒适，结实耐用，逐渐成为天然藤的替代品，在市场上备受欢迎。

塑料仿藤条常见为PE藤与PVC藤。相对于天然藤条，PE/PVC藤防霉防蛀，经久耐用，抗老化性能优异。又因其成本低导致价格也相对较低，发展迅速，已占据了主要的低端消费市场。相应的，塑料仿藤条也有着硬度高，舒适度差，不可降解的问题等待解决。

1.2 PE基秸塑仿藤条

天然藤条资源有限，价格昂贵，容易老化，不宜放置于室外，易干裂变脆，变形褪色，使用起来多有麻烦，并不能适应大众的需求。

相较的，塑料仿藤条虽然质感并不如天然藤条，但其坚韧耐用，防水防晒、防虫防蛀，耐磨且耐低温且材料价格低廉，能极大满足消费人群中绝大部分的中低消费者的需求。随着技术的成熟，塑料仿藤条不可降解的缺点得到改善，通过发泡处理的秸塑仿藤条不仅可降解回收，更拥有了良好的粗糙度，使其质感距离真实天然藤条更近了一步。

1.3 研究的目的及意义

我国藤条资源本就短缺，随着印尼藤的出口限制，天然藤价格不断上涨，为满足与提

高消费者需求与体验，研究并改进塑料仿藤条的任务极为艰巨。

通过试用不同PE基树脂制作出秸塑仿藤条成品，通过对比其性能差异，为秸塑仿藤条的生产提供有力依据。

1.4 研究内容及创新点

本课题主要研究生物质仿藤条的制备以及三种不同PE基树脂制作的仿藤条性能的差异。其主要研究内容有：

1. 不同聚乙烯性能分析及麦秸秆的改性处理
2. 三种PE基树脂对复合材料性能的影响
3. 不同PE基秸塑仿藤条的制备及其力学性能分析

本课题的创新点：

目前对于仿藤条性能差异的研究多着眼于改性处理的方式时间以及补强材料的种类与数量，对于不同树脂基体对复合材料性能的影响并没有很系统的整理。

不同聚乙烯性能分析及麦秸秆的改性处理

因为PE力学性能受密度、结晶度和相对分子质量的影响极大，所以三种PE除冲击强度为：LDPE＞LLDPE＞HDPE外，其他力学性能均为LDPE＜LLDPE＜HDPE。

PE树脂耐热性不高，但随相对分子质量和结晶度的提高而改善，也就是说，HDPE相较于另两种PE有着更高的耐热性。一般被使用时，温度在80℃~100℃。聚乙烯没有很好的耐热性但却有着不错的耐低温性能，-50℃以下才会发生明显脆化，耐低温性能上LDPE＞LLDPE＞HDPE。

PE有着良好的化学稳定性，但却有着较强的还原性，它不与大多数酸碱发生反应，但在大气、阳光下就会发生老化、变色、龟裂变脆或粉化，继而使得力学性能丧失。

PE是典型的非极性材料，然而，秸秆主要成分——纤维素为极性材料，两种材料于理论上是不相容的，为了使两种材料具有较好的相容性，我们通常采取偶联剂改性。

2.1 材料与器材

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器

2.2 实验方法

2.2.1 麦秸秆的改性

麦秸秆粉的具体改性过程如下：

1. 将小麦秸秆于自然条件下晒干后收取，剪成5~10cm每段的小段，于多功能粉碎机中粉碎，转入筛分仪筛分，先用40目标准筛筛去其中颗粒较粗的部分，再用80目标准筛筛去其中颗粒过细部分，确保麦秸秆粉的均匀性。
2. 将筛取得到的麦秸秆粉加入到高速混合机中，升温到预设温度，采用喷淋的方式添加硅烷偶联剂，喷淋完后继续搅拌。
3. 搅拌时间达到后，从下口卸料，取出麦秸秆粉，待其稍冷崅后在转入防水密封袋进行保存。

2.2.2 改性麦秸秆性能检测

1. 傅里叶红外光谱（FTIR）测试

用傅里叶红外光谱仪对改性前后的麦秸秆粉进行扫描，用溴化钾压片制备锭片。称取3毫克的改性麦秸秆粉和未改性麦秸秆粉的样品，分别混合300克干燥的溴化钾粉末，置于玛瑙研钵中研磨。称取研磨完的混合粉末，置于锭剂成型器中加压，20MPa，3分钟。

2）扫描电镜分析

对改性前后的麦秸秆粉喷金后进行SEM观察。

2.3 结果与讨论

图2-1改性前后麦秸秆FTIR图

Fig.2-1FTIR of wheat straw powder before and after modification

1. 如图，未改性的麦秸秆粉有以下几个明显的吸收峰：3300cm^-1 处为羟基（-OH）吸收峰，与疏水的聚合物的相容性极差，主要存在于麦秸秆生物质中的纤维素与半纤维素中；于2917cm^-1处为饱和烷基甲基（-CH₃）的吸收峰，主要体现如麦秸秆木质素架构中苯丙烷结构。2849cm^-1处为亚甲基（-CH₂）的吸收峰，主要为麦秸秆纤维素与半纤维素分子脸上的亚甲基结构。1720~1735cm^-1为羰基（-CO）的吸收峰，一般存在于木质素与纤维素中。1050cm^-1处为多糖中的碳氢键吸收峰，是天然纤维的典型吸收峰。

观察改性后的麦秸秆FTIR曲线，可以发现有几处明显的区别：羟基吸收峰峰值明显降低，主要是因为KH-550中的烷氧基（-OC₂S₅）与羟基反应，从而消耗掉了大量的羟基，硅烷偶联剂消耗羟基的同时也引入了大量的氨基（-NH₂），氨基伸缩振动峰也在3300cm^-1左右，因此只是观察到减弱，却没有消失；在1600cm^-1处的苯环吸收峰在纤维素经过改性后出现了一座弱峰，说明改性使得木质素的含量发生了变化，可能是高温条件下木质素发生了热重排；1430cm^-1处的吸收峰明显增强，可能是KH-550苯环结构的引入；在1157cm^-1处的峰变强，原因可能为KH-550与麦秸秆粉作用形成了硅氧和碳氧共价键；860cm^-1处出现新峰为硅氧键的吸收峰，这可能是硅烷醇自聚的缘故。从硅氧键和Si-O-C共价键可以看出，硅烷偶联剂对麦秸秆的表面处理起到了一定作用，说明硅烷偶联剂玉麦秸秆之间发生了缩聚接枝反应。

1. 实验改性处理前后麦秸秆粉的SEM形貌观察图如图示：

A B

图2-2改性处理前后麦秸秆粉的SEM观察图

Fig.2-2 SEM observation of wheat straw powder before and after modification

A为买秸秆纤维的电镜图，B为经过硅烷偶联剂改性后的电镜图。从图中可以明显观察到，改性过后，麦秸秆粉纤维的多孔网状结构消失，整个表面变为一个整体，表面变得粗糙且附着了大量矿物质。这表明硅烷偶联剂与买秸秆粉纤维中的羟基发生了接枝缩聚反应，为麦秸秆与热塑性塑料的复合提供了一个良好的界面层，有利于麦秸秆粉在聚合物中的分散。

2.4 本章小结

1. PE耐热性能不高，却有着良好的抗寒性。另外，PE有着良好的化学稳定性，但却有着较强的还原性，它不与大多数酸碱发生反应，但在大气、阳光下就会发生老化、变色、龟裂变脆或粉化，继而使得力学性能丧失。PE力学性能除冲击强度相反，各项均为HDPE＞LLDPE＞LDPE。
2. 对比改性前后的麦秸秆的FTIR谱图可以总结出以下信息：通过观察到在亲水基团羟基的吸收峰发生了明显减弱、在860cm^-1处出现了新的硅氧键的特征吸收峰以及在1157cm^-1处硅氧碳氧键吸收峰所出现的增强这三个变化，充分证明了硅烷偶联剂与麦秸秆粉之间发生了缩聚接枝反应，反应消耗了大量麦秸秆纤维中的羟基。此外，还观察到了比较弱的苯环特征吸收峰，这说明高温改性之后木质素发生了热重排。
3. 扫描电子显微镜（SEM）观察结果得知，由于硅烷偶联剂的作用，麦秸秆粉的表面变成了一个整体，多孔网状结构消失且表面变得粗糙为麦秸秆与热塑性塑料的复合提供了良好的界面层。

三种PE基塑料对复合材料力学性能的影响

通过用三种不同的PE基分别制作秸塑复合材料并对其性能进行测试对比，通过实验结果找到更为适合制作秸塑仿藤条的PE树脂基体以及更合理的添加量来生产秸塑仿藤条。

3.1 实验材料

3.2 实验仪器

3.3 实验方法

1. 样材制作

将小麦秸秆于自然条件下晒干后收取，剪成5~10cm每段的小段，于多功能粉碎机中粉碎，转入筛分仪筛分，先用40目标准筛筛去其中颗粒较粗的部分，再用80目标准筛筛去其中颗粒过细部分，确保麦秸秆粉的均匀性。

按照：PE 70%、EBS 1%、硬脂酸 1%、MAH-g-PP 3%、碳酸钙 5% 、麦秸秆 20%

的物料比分别称重三种PE基秸塑标准版原料。

将称重好的物料倒入高速混合机中搅拌均匀。将混合物倒至前后辊均为165℃的开放式炼胶机上熔融混合，期间用不锈钢平铲反复炒炼，约五分钟后酱混合物放入标准模具，转移到平板硫化机进行上板热压与下板冷压成型，期间翻面反复压制，半小时左右取出。

将硫化机压制出来的板材（标准板材为10*80*80的薄板，重约230g）加工成测试性能的标准件样材。

1. 性能测试与表征

拉伸性能按GB/T 1040-2006塑料拉伸性能试验方法测试，加载速度1.00(mm/min)；

弯曲性能按GB/T 9241-2008塑料弯曲性能试验方法测试；

冲击性能按GB/T1843《塑料悬臂梁冲击试验方法》测试，试样类型1，冲击能量1.0J；

3.4 结果与讨论

图3-1，3-2，3-3为不同PE基对秸塑材料力学的影响

图3-1不同PE基秸塑材料的拉伸强度对比

Fig.3-1 Comparison of tensile strength of different PE-based plastic materials

图3-2不同PE基秸塑材料的弯曲强度对比

Fig.3-2 Comparison of bending strength of different PE-based plastic materials

图3-3 不同PE基秸塑材料的断裂伸长率对比

Fig.3-3 Comparison of elongation at break of different PE-based plastic materials

结果显示，相比LDPE制成的样材，HDPE样材有着更高的拉伸和弯曲强度；LLDPE的样材虽然在拉伸和弯曲强度上仅有最低的属性，但其有着最高的断裂伸长率。

PE力学性能受密度以及相对分子量影响大，HDPE样板有着最好的力学性能，显然PE基秸塑材料受树脂基体的影响很大。LLDPE相对于LDPE缺少长支链，LDPE在形变率增加后分子链的缠结，显示出极强的粘性，对材料的结合有益，使得LDPE样材较LLDPE样材的拉伸和弯曲强度更高。LDPE和LLDPE均有着良好的流变性，因而面对弯曲时较HDPE不易断裂，而同样因为分子链的缠结，LDPE比LLDPE更易断裂。

3.5 本章小结

按照相同的配方比分别用HDPE、LDPE、LLDPE配料制作样材并按照国家规定进行力学性能检测，结果显示，制作的样材的拉伸强度及其弯曲强度方面，HDPE样＞LDPE样＞LLDPE样；断裂伸长率则为LLDPE样＞LDPE样＞HDPE样。

显然PE基树脂本身的力学性能对秸塑材料的影响是极大的，HDPE样材显示出最好的强度而LLDPE显示出最好的韧性，LDPE虽然各项性能均衡，但由于其粘度极大，不易从模具中分离，所以选择HDPE与LLDPE按比例混合使用制造借宿材料最佳。

不同PE基秸塑仿藤条的制备及力学性能分析

目前仿藤条采用挤出成型的工艺进行制备，采用双螺杆挤出机挤出成型，实现连续生产，效率高。

取用PE新料，加大量造粒回收，之后添加母粒，配合助剂如着色剂、稳定剂等加入到已预先设定好参数的挤出机中，经过挤出机的内部加热搅拌混匀后通过口模挤出，经流线生产水槽冷却固型，牵引收卷获得仿藤条。

4.1 材料与器材

4.1.1 实验材料

4.1.2 实验设备

4.2 实验方法

4.2.1 实验材料的准备

1. 麦秸秆粉的预处理

将收集的麦秸秆于自然条件下风干，剪成5~10cm小段，用高速多功能粉碎机粉碎后用振动筛分仪筛取40-60目的秸秆粉，保证秸秆粉的均匀性。

1. 麦秸秆粉的改性

将过筛后的秸秆粉置于恒温鼓风干燥箱80℃保藏24小时，确保其含水量低于5%。将干燥后的秸秆粉同马来酸酐接枝聚丙烯按比例加入高速混合机中，120℃的温度下持续搅拌改性30分钟，之后将充分改性后的秸秆粉静置冷却，待温度适宜装入防水密封袋中保存。

4.2.2 秸塑仿藤条的生产工艺

常用生产仿藤条的设备有两种，其一为双螺杆挤出机配套风冷设备与切粒机设备，其二为单螺杆挤出机配套水冷设备和收卷设备。

1. 生物质仿藤条的制备

改性秸秆粉置于恒温鼓风干燥箱在105℃的条件下烘干，后与活性碳酸钙、硬脂酸、EBS等以一定比例加入到高速混合机中搅拌。之后采用强制喂料的形式将混匀的物料投入锥形双螺杆挤出机挤出机挤出成型，经过风冷设备冷却运输后引导至切粒机切为母粒，装袋。

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