通过竹粉全组分反拟合模型建立探究其热塑化改性机理

In view of the difficulty in thermoplastic processing of bamboo powder and the fact that the same modification method gives quite different modification effects on different types of bamboo powders, this project aims to obtain “simulated bamboo powder” via setting up inverse whole component fitting model on the basis of elucidating of bonding interactions in inner- and inter- bamboo components, then to explore thermoplastic process modification mechanism of bamboo powder by comparing modification effects of different components and “simulated bamboo power”. The project deals with the melt modification of bamboo powder by using reactive twin-screw extruder with function of visualization and real-time processing data acquisition. More specifically, on the basis of solving of the difficulty in melting processing that arises from chemical bonding, hydrogen bonding and Van de Walls force, both intermolecular in bamboo power components and intramolecular with outside molecules, and by fitting of lignin-carbohydrate complex between hemicellulose and lignin, hemicellulose -protein conjugation and chemical bonding of cellulose and hemicellulose, establishment of fitting method of real bamboo system is expected. In addition, the project aims to elucidate the thermoplastic processing modification mechanism and to further predicate the melting process of real bamboo powder. The ultimate goal of the project is the establishment of simulation and predication of thermoplastic processing modification of bamboo powder to offer a new means and solution to bamboo fibre thermoplastic processing and the design and production of bamboo-plastic product, and to lay a scientific foundation for development of bamboo-plastic products.

本项目针对竹粉热塑性加工困难，及其同一改性手段对不同竹粉效果差异较大的问题，在诠释竹粉组分内部及组分之间键合作用基础上，进行全组分反拟合获得“模拟竹粉”，通过比较分析各组分、“模拟竹粉”的热塑化改性手段与效果，探究竹粉热塑化改性机理。利用可视化、加工数据实时采集、反应型双螺杆挤出机，对竹粉进行熔融改性。在解决竹粉组分内部分子间的、内部与外部分子之间的化学结合键、氢键与范德华力作用力引起的熔融加工困难问题的基础上，结合竹半纤维素与木质素两者之间木质素-糖类复合体、半纤维素与蛋白质两者交联体、纤维素与半纤维素之间化学键的拟合手段，获得竹粉真实体系的模拟方法，解析“模拟竹粉”热塑化改性机理，并将其用于竹粉真实体系的熔融过程预测。通过本项目研究，确立一种竹粉热塑性改性效果的模拟预测研究方法，从而为竹原纤维热塑性加工及竹塑制品的设计制备提供一种新的研究思路与解决途径，为发展竹塑材料打下科学基础。

本项目针对竹粉与聚合物共混加工时不易分散、易团聚、塑化困难及其同一改性手段对不同竹粉效果差异较大的问题，在诠释竹粉组分内部及组分之间键合作用基础上，探究竹粉热塑化改性机理。项目对竹粉进行了“三素”分离，得到了纤维素、木质素和半纤维素，分别对竹粉、纤维素和木质素进行了加工及应用研究。通过在竹粉表面接枝丙交酯等方法，初步解决了竹粉和生物降解聚合物共混加工时不相容问题；开发了利用水促反应的硅烷偶联剂，其既可与竹粉表面的羟基反应，也可以与含端羧基生物聚合物发生反应，不仅对竹粉表面起到了改性，同时增加了竹粉和聚合物之间的界面相容性，初步解决了竹粉组分内部分子间的、内部与外部分子之间的化学结合键、氢键与范德华力作用力引起的熔融加工困难问题。在此基础上，开发了反应型双螺杆混合技术及专用装备，设计研制了高长径比、螺纹模块可调、反应性螺杆，研发了可自动取料、调压并且可视化、加工数据可实时采集的反应型双螺杆挤出机，进一步解决了熔体流动性差、热解的问题，获得了竹粉真实体系的模拟方法，初步解析“模拟竹粉”热塑化改性机理，并将其用于竹粉真实体系的熔融过程预测。通过以上研究，可以在挤出加工过程中实现对粉体表面进行化学改性及同时提高与基体树脂相容性的目的，实现了高竹粉含量填充情况下高速熔融挤出，达到高效稳定生产目的，实现了吹膜、注塑等高效加工，产品已经广泛应用于快递包装膜袋、购物袋及一次性餐饮具等领域，并将纤维素用于热塑加工和气凝胶制备研究。.通过本项目研究，确立了一种竹粉热塑性改性效果的研究方法，为竹原纤维热塑性加工及竹塑制品的设计制备提供了一种新的研究思路。项目执行过程中，发表标注项目号的论文27篇，出版专著1部。申请并获授权发明专利2项、实用新型专利4项。研究过程中制定了国家标准13项。项目执行期间培养硕士生10名。举办国际国内学术研讨会共4次。