催化剂对竹颗粒增强PVC基复合材料拉伸强度的影响

用氢氧化钠、硅酸钠、硫酸、碳酸钠、碳酸钾作为催化剂水热处理竹颗粒后,其增强PVC基复合材料的拉伸强度如表12.3所示。当催化剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠、碳酸钾时,A代表处理条件为水热温度120℃,催化剂浓度2%;B代表处理条件为水热温度140℃,催化剂浓度2%;C代表处理条件为水热温度160℃,催化剂浓度2%;D代表处理条件为水热温度180℃,催化剂浓度2%;E代表处理条件为水热温度200℃,催化剂浓度2%;F代表处理条件为水热温度140℃,催化剂浓度1%;G代表处理条件为水热温度160℃,催化剂浓度1%;H代表处理条件为水热温度140℃,催化剂浓度0.5%;I代表处理条件为水热温度160℃,催化剂浓度0.5%。当催化剂为硫酸时,A代表处理条件为水热温度120℃,催化剂浓度0.5%;B代表处理条件为水热温度140℃,催化剂浓度0.5%;C代表处理条件为水热温度160℃,催化剂浓度0.5%;D代表处理条件为水热温度180℃,催化剂浓度0.5%;E代表处理条件为水热温度200℃,催化剂浓度0.5%。本章以下各表格中A、B、C、D、E、F、G、H、I意义相同。

表12.3 催化水热处理竹颗粒后其增强PVC基复合材料的拉伸强度

注:1.反应过程中竹颗粒的浴比为1∶5,反应时间为30min。
2.数值后的字母(即a,b,c,d,e)相同表明在P<0.05下数据间的显著性水平无差异。

由表12.3可见,竹颗粒水热处理过程中催化剂种类、浓度及温度对复合材料的拉伸强度均有影响。总的来说,除硫酸作催化剂外,竹颗粒增强PVC基复合材料的拉伸强度随水热处理温度的增加呈现先增加后减小的趋势,催化剂浓度不同,相同处理温度下复合材料的拉伸强度差异较大。对氢氧化钠催化来说,当催化剂浓度为2%,水热处理温度达到160℃时,复合材料的拉伸强度达到极大值,为(14.02±0.73)MPa,略小于无催化水热处理复合材料拉伸强度的极大值,与2%浓度氢氧化钠常温处理竹颗粒增强PVC复合材料的拉伸强度接近。140℃下1%浓度氢氧化钠水热处理复合材料的拉伸强度大于140℃下2%和0.5%氢氧化钠的处理结果,与160℃下不同浓度氢氧化钠处理复合材料的拉伸强度变化趋势相同。这是因为氢氧化钠的添加促进了水热处理对半纤维素、木质素及果胶等物质的去除。温度较低时,对半纤维素等物质的去除不够;但温度过高时,氢氧化钠降低了纤维素的强度,因而2%浓度下,水热处理温度高于180℃时,复合材料的拉伸强度降低。当水热处理温度为140℃时,2%浓度氢氧化钠使得纤维素部分降解,0.5%浓度氢氧化钠对半纤维素等物质的去除不够,因而1%的氢氧化钠处理的复合材料的拉伸强度最大。(www.zuozong.com)

采用硅酸钠作为催化剂时,当催化剂浓度为2%,水热处理温度达到200℃时,复合材料的拉伸强度达到极大值,为(26.98±4.69)MPa,大于160℃时2%氢氧化钠水热处理的复合材料的拉伸强度。140℃下2%浓度硅酸钠水热处理复合材料的拉伸强度大于140℃下1%硅酸钠的处理结果,小于140℃下0.5%硅酸钠处理后的强度;而1%浓度硅酸钠160℃水热处理复合材料的拉伸强度小于160℃下2%硅酸钠的处理结果,大于160℃下0.5%硅酸钠的处理结果。由于硅酸钠呈现较强的碱性,采用硅酸钠作为催化剂的水热处理对半纤维素、木质素及果胶等物质具有与氢氧化钠相似的效果,但半纤维素等物质在同浓度的硅酸钠中的溶解度小于氢氧化钠,同时,纤维素在同浓度硅酸钠中的降解性远小于在氢氧化钠中的降解性。随着水热处理温度的增加,半纤维素等物质的去除程度增大,两者的相容性进一步改善。

采用碳酸钠作为催化剂时,当催化剂浓度为2%时,随着水热处理温度的增加,复合材料拉伸强度呈现先增加后减小的趋势,当水热处理温度达到140℃时复合材料的拉伸强度达到极大值,为(16.52±0.14)MPa。140℃下1%浓度碳酸钠水热处理复合材料的拉伸强度大于140℃下2%和0.5%碳酸钠的处理结果;160℃下1%浓度碳酸钠水热处理复合材料的拉伸强度大于160℃下2%和0.5%碳酸钠的处理结果。碳酸钠易溶于水,是一种强碱盐,采用碳酸钠作为催化剂的水热处理可溶解半纤维素、木质素及果胶等物质,随着水热处理温度的增加,半纤维素等物质的去除程度增大,两者的相容性进一步改善,因而复合材料的强度增加;但温度过高时,碳酸钠对纤维素降解作用增强,复合材料的拉伸强度降低。

当碳酸钾催化剂浓度为2%时,随着水热处理温度的增加,复合材料拉伸强度呈现先增加后减小的趋势,当水热处理温度达到160℃时复合材料的拉伸强度达到极大值,为(21.33±1.60)MPa。140℃下1%浓度碳酸钾水热处理复合材料的拉伸强度大于140℃下2%和0.5%碳酸钾的处理结果;160℃下1%浓度碳酸钾水热处理复合材料的拉伸强度大于160℃下2%和0.5%碳酸钾的处理结果。碳酸钾碱性强于碳酸钠,但碳酸钾催化剂对温度的依赖性强于碳酸钠。在水热处理低温条件下,采用碳酸钾作为催化剂,对半纤维素、木质素及果胶等物质具有较好的去除作用。随着水热处理温度的增加,半纤维素等物质的去除程度增大,两者的相容性进一步改善,因而复合材料的强度逐渐增加;但温度过高时,由于碳酸钾碱性比碳酸钠更强,因而对纤维素降解作用更强,复合材料的拉伸强度低于相同条件的碳酸钠的处理结果。

硫酸作为生物质水热处理常用的催化剂,对纤维素的降解作用较为明显,因而复合材料的拉伸强度远低于氢氧化钠等催化剂处理结果。

总之,催化剂种类和浓度对竹颗粒增强PVC基复合材料的拉伸强度影响显著。通过比较发现,硅酸钠催化水热处理对复合材料拉伸强度的改善效果最为明显,200℃下浓度2%的硅酸钠水热处理竹颗粒后,其增强PVC基复合材料的拉伸强度达到最大值,为(26.98±4.69)MPa。