摘 要

我国是农业大国，秸秆资源丰富，但是秸秆利用率却是很低的。随着人们环保意识的增强，秸秆的再利用成为当代科研的新课题。新型复合材料是一种极具发展前途的“低碳、环保、可循环”的材料。秸塑复合材料在代替木材方面具有广阔的前景。本文主要探究的是对于天然纤维复合材料杨氏模量的预测模型。帮助对复合材料的研究工作。通过预测模型，尽快找出复合材料最优比例，达到最高性价比。

关键词：麦秸秆复合材料；杨氏模量；模型预测

Establishment and Application of Tensile Mechanics Model of

Wheat Straw Fiber Thermoplastic Composites

Abstract

China's agricultural country, rich in straw resources, but the straw utilization rate is very low. With the increase of people's awareness of environmental protection, straw recycling has become a new topic of contemporary research. The new composite material is a very promising "low carbon, environmentally friendly, recyclable" material. Straw plastic composite materials in the field of wood has a broad prospect. This paper mainly explores the prediction model of Young's modulus for natural fiber composites. To help the research work on composite materials. Through the prediction model, as soon as possible to find the optimal ratio of composite materials, to achieve the highest cost.

Key Words:Wheat Straw Composites; Young's modulus; Model prediction

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

第二章 文献综述 3

2.1 秸秆背景 3

2.2 秸秆在复合材料中的应用 3

2.3 影响复合材料性能的因素 4

2.4 复合材料力学模型的具体实例 4

第三章 麦秸秆复合材料的制备和性能测试 6

3.1 材料 6

3.1.1 试验原料制备 6

3.1.2 试验设备 6

3.1.3 小麦秸秆粉的显微观察 7

3.1.4 电子显微观察 7

3.2 麦秸秆复合材料拉伸力学性能测试 8

3.2.1 标准件制备 8

3.2.2 力学性能测试 8

第四章 麦秸秆纤维复合材料拉伸性能模型适应性分析 10

4.1 微观理论模型 10

4.1.1 ROM模型 10

4.1.2 IROM模型 12

4.2 Halpin-Tsai方程 14

4.3 剪切滞后理论 14

4.4 复合材料模型的对比与分析 19

第五章 模型的改进 26

第六章 总结 29

参考文献 30

致 谢 32

第一章 引言

1.1 研究背景

我国对森林的过度砍伐和大量的使用煤和石油，导致空气质量越来越差。开发利环保可再生的生物质资源成为解决问题的良药。小麦秸秆是一种非常丰富的生物质资源，而且可再生，我国每年生产出大量的小麦秸秆^[1]，其中绝大部分没有得到有效利用，采用焚烧的手段，导致严重的环境污染。我国秸秆资源非常丰富，但利用现状却非常差^[2]，造成了能源资源的大量浪费和污染。因此，开发利用小麦秸秆资源具有重要的战略意义。

人们的生活水平迅速的提高，人们对木材的需求逐渐增多，越来越多的人开始对珍贵的森林资源下手。随意砍伐树木，破坏森林，导致生态系统崩溃，空气质量下降，这与人民想要健康舒适的生活水平相矛盾。而且我国森林资源的特点是森林覆盖率低,人均占有森林资源少。我国的森林覆盖率为16.55%,仅相当于世界平均森林覆盖率27%的61.3%^[3]。我国人均占有森林资源率低，但是人们并没有降低对木材的需求。随意使用我国稀有的森林资源势必不可行。

因此，开发利用生物质资源成为必势所需。我国具有很丰富的生物质资源，但大部分都是以焚烧为处理办法。充分利用这些被浪费的资源，可以大大减轻人们对空气的污染，对森林的滥砍滥伐。而且我国秸秆每年产量巨大，成本低廉，具有很大利润空间。

1.2 研究意义

本课题研究麦秸秆纤维热塑性复合材料拉伸力学模型的改进与应用，便于找出最经济实用的复合材料配方。减少实验次数，增加效率，也可以对其他复合材料作为参考。

杨氏模量是衡量材料抗拉性能的重要指标之一。通过测量复合材料的杨氏模量，能够很好的体现材料的性能。

生物质复合材料的杨氏模量受生物质本身的性质及其含量影响，目前有很多理论模型对生物质纤维复合材料的杨氏模量进行表征与预测。本文基于微观理论模型构建了混合模型可以更加方面准确的拟合实验数据，从而起到预测效果。

第二章 文献综述

2.1 秸秆背景

我国是传统农业大国，据统计，我国每年农作物秸秆总产量超过7亿吨。但是，在我国秸秆利用率却很低，仅有5%左右^[4]。大部分的秸秆采取焚烧的处理方式，造成严重的空气污染。随着经济的快速发展，人们生活水平提高，对环保也越来越重视。因此，国家严厉禁止秸秆焚烧。但是，对于农民来说秸秆除了焚烧并没有其他处理方法。所以造成大面积秸秆堆积，滋生蚊虫。开发和利用这些宝贵的生物质资源，不仅可以缓解人们对木材的直接需求，也可以切实解决农民的困难，间接的减少对森林的砍伐，保护空气质量。

2.2 秸秆在复合材料中的应用

采用 NaOH 对小麦秸秆纤维进行处理，在此基础上使用蒸煮助剂 Na2 S2O4 和偶联剂(KH550、KH560)改性秸秆纤维，并将其分别与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)共混，制备了秸秆纤维/PBS复合材料。研究了NaOH 处理中 Na2 S2O4 的添加以及NaOH处理后KH550、KH560的改性对复合材料性能的影响。采用EDS、WXRD和SEM对改性前后的纤维及复合材料分别进行了分析和观测。研究结果表明: NaOH同3%Na2S2O4混合处理得到的复合材料的性能最好，KH560较KH550更能有效地改善复合材料的力学性能，当KH560质量分数为2%时，复合材料的力学性能最好。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为一种新型可生物降解材料，其力学性能优良，适合多种加工工艺，可根据不同用途制备成多种高分子产品，但聚丁二酸丁二醇酯售价昂贵，因此它的推广受到市场限制，天然植物纤维来源广泛、价格低廉、密度小、强度大，它的生物降解性和可再生性是其他任何增强材料无法比拟的，因而具有广阔的发展前景^[5-7]。植物纤维复合材料由可再生植物纤维与高分子聚合物通过共混加工而成，既有效利用了农业废物，又减少了石油产品的消耗，降低了资源成本，所以开发利用植物纤维作为增强材料在环境保护和节约资源方面均有重要的意义^[8-10]。通过对小麦秸秆纤维进行碱处理，增强纤维与基体之间的相互作用力，并在此基础上通过添加助剂与偶联剂来增强纤维自身强度及纤维与基体之间的相容性，达到改善复合。

2.3 影响复合材料性能的因素

在最近几十年中，天然纤维作为聚合物复合材料中的替代增强物已经吸引了许多研究人员和科学家的注意，因为它们优于常规玻璃和碳纤维。这些天然纤维包括亚麻，大麻，黄麻，剑麻，洋麻，椰树，木棉，香蕉，剑麻和许多其他植物。天然纤维相对于人造玻璃和碳纤维的各种优点是低成本，低密度，可比的比拉伸性能，对设备无磨损，对皮肤无刺激，降低能量消耗，减少健康风险，可再生性，可回收性和生物降解性。这些复合材料适用于航空航天，休闲，建筑，运动，包装和汽车工业，特别是最后提到的应用。然而，天然纤维/聚合物复合材料因其纤维的亲水性与塑料的疏水性相矛盾。这导致复合材料的不期望的性能。因此，有必要通过采用化学修饰来改善纤维和基质之间的粘附性来修饰纤维表面。

有许多因素能能够制约天然纤维复合材料的性能。纤维的亲水性和塑料的疏水性影响复合材料的性能，基体中纤维含量也能影响天然纤维增强复合材料的性能，除此之外，纤维在基体中的分布方式也会影响复合材料的性能。通常，需要控制合适的纤维含量以实现复合材料的性能达到最优。影响复合材料的性质和界面特性的另一个重要因素是所使用的加工参数。因此，必须仔细选择合适的加工技术和参数以产生最佳复合产品。

2.4 复合材料力学模型的具体实例

使用改进的混合规则（ROM）强度方程对短天然纤维增强热塑性塑料（NFRT）的拉伸强度进行建模。需要最大复合纤维体积分数的聚类参数形成修改的基础。聚类参数强调，随着纤维负荷增加，可用的纤维应力传递面积减小。通过将微机械强度模型与在具有最小纤维聚集的低纤维负载（10wt％）下的拉伸强度数据拟合来确定关键参数，界面剪切强度。