木纖維/聚乳酸可生物降解復合材料的制備和性能研究

吳義強 ，李新功 ，秦志永 ，卿 彥 ，羅 莎

木纖維/聚乳酸可生物降解復合材料的制備和性能研究

吳義強1，2，李新功1，秦志永1，卿 彥1，羅 莎1

(1.中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 竹業湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410004)

采用注射成型工藝制備了木纖維/聚乳酸生物可降解復合材料，探討了改性劑種類、用量以及纖維質量分數對復合材料力學性能的影響。結果表明，采用8%堿和3%硅烷偶聯劑對木纖維表面進行改性處理均可以顯著改善復合材料的力學性能，其中，8%堿+3%硅烷偶聯劑協同改性處理效果最好，制備的復合材料力學性能最優；木纖維質量分數為30%，復合材料的力學強度最大。

木纖維；聚乳酸；改性處理；力學性能

隨著社會經濟高速發展與人類文明的進步，在滿足自身基本需要的同時，人們越來越注重與生態、環境的和諧統一，生物可降解復合材料就是在這種背景下產生的眾多綠色材料之一[1-2]。生物可降解復合材料是以木纖維[3-4]、竹纖維、亞麻纖維、洋麻纖維、黃麻纖維、椰殼纖維[5-9]、谷殼纖維和甘蔗渣纖維[6]等可再生的天然植物纖維為增強材料，以聚羥基丁酯(PHB)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)[4-10]等生物可降解樹脂為基體，經模壓、注射或擠壓等成型工藝制備而成。該材料不僅具有較好的力學強度，而且在自然或特定條件下能夠降解生成CO2和H2O，不會給環境帶來任何污染[2-4]。材料廣泛應用于汽車內部裝飾件、建筑結構部件及室內裝修材料等領域。但是，天然植物纖維表面為極性，而可降解塑料表面為非極性，二者界面相容性差，黏結力差，應力在復合材料界面不能有效地傳遞，從而影響復合材料的力學性能[5-7]。因此，在制備天然植物/生物可降解塑料復合材料時必須對天然植物纖維和可降解塑料界面進行調控，改善兩者界面相容性[8-10]。

本研究以改性木纖維為增強材料，聚乳酸為基體制備天然植物纖維增強生物可降解復合材料。研究改性劑的種類、用量以及木纖維質量分數對復合材料力學性能的影響，為天然植物纖維增強可生物降解復合材料的發展提供一定的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

楊木纖維，自制，平均長度30～60目；聚乳酸(PLA)，注塑級，白色透明顆粒，相對分子量2×105，熔點120 ℃，深圳光華偉業實業公司；硅烷偶聯劑KH560，分析純，湖南匯虹試劑有限公司；NaOH，(化學純)天津市鑫泰盛源化工有限公司；正己烷(分析純)，天津市大茂化學試劑廠。

1.2 復合材料制備

將木纖維放入濃度分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%的NaOH水溶液(浴比為1∶20)中常溫下浸泡24 h后，用濾網分離出木纖維并用自來水反復沖洗至中性，然后送入真空干燥箱內在80 ℃的溫度下干燥8 h。

稱取一定量的硅烷偶聯劑溶于適量的正己烷，然后將木纖維浸入硅烷偶聯劑正己烷溶液中處理，硅烷偶聯劑用量為絕干木纖維的3%。室溫靜置，待正己烷揮發后，送入真空干燥箱內干燥備用。

將用真空干燥箱在80 ℃下干燥8 h后的聚乳酸(PLA)和木纖維送入開放式混煉機中在160 ℃下混煉10 min(木纖維質量分數分別為0、10%、20%、30%和40%)，得到片狀混合物，再將片狀混合物送到強力塑料粉碎機破碎成顆粒。然后將顆粒狀混合物料用注塑成型機制成標準樣條。成型工藝參數：料筒溫度150～170 ℃，注射壓力8 MPa，保壓時間20 s。

1.3 性能測試和表征

1.3.1 力學性能測試

復合材料標準樣條在萬能力學試驗機及沖擊強度試驗機上分別進行拉伸強度和沖擊強度測試，拉伸強度和沖擊強度測試按照GB/T1040.1 - 2006進行。相同條件下每個試樣至少重復5次，取平均值。

1.3.2 電鏡觀察

利用掃描電鏡觀察纖維表面形態，分析改性處理對纖維表面性狀的影響。

2 結果與討論

2.1 纖維質量分數對復合材料力學性能的影響

圖1為纖維質量分數對復合材料力學性能影響圖。由圖1可以看出，可生物降解復合材料的拉伸強度和沖擊強度隨著纖維質量分數的增加，呈現先降低后升高再降低的趨勢。當纖維質量分數較低時，作為增強材料的木纖維在復合材料中不能充分發揮足夠的增強作用，而外部載荷幾乎完全由PLA基體來承受，因此降低了PLA基體本身的拉伸性能；隨著纖維添加量的不斷增加，增強纖維和PLA基體比例逐漸達到合適狀態，此時PLA基體能夠很好且有效地包裹木纖維，纖維在PLA中均勻分布并互相交織，形成了網狀交織互鎖結構，這種結構能夠均勻的承受外界載荷，木纖維能夠充分發揮增強作用，所以復合材料的拉伸性能在這個階段呈現逐漸上升的趨勢；當木纖維的質量分數為30%時復合材料的拉伸性能最好，纖維質量分數的繼續增大，木纖維不能完全有效地被PLA基體包裹，進而降低了基體和增強纖維之間的界面結合幾率及結合強度[11]。此外，由于纖維含量過高，在混煉過程中木纖維不能均勻分散在PLA中，產生纖維聚集現象，導致復合材料的應力集中，產生缺陷的幾率增大[12]。

圖1 纖維質量分數對材料力學性能的影響Fig. 1 Effect of fiber mass fraction on mechanical properties of composite materials

2.2 堿處理對復合材料力學性能的影響

圖2 為不同濃度堿溶液對復合材料力學性能影響圖。由圖2 可見，隨著NaOH 溶液濃度的增大，復合材料的拉伸強度和沖擊強度逐漸增大，濃度為8%時達到最大值。這是因為一定濃度的NaOH溶液可以去除木纖維中半纖維素，木纖維相對結晶度降低。圖3為堿處理前后木纖維的表面形態圖。從圖3可以看出，未經堿處理的木纖維表面光滑，而經過8%堿處理后的木纖維表面變得粗糙，出現了很多的淺溝槽，因而增大了木纖維及PLA接合面及機械結合力。另外，經8%堿處理后木纖維被細化，直徑減小，長徑比增加，纖維自身強度增大，也有助于改善復合材料力學性能[13-14]。同時，木纖維經8%NaOH 溶液處理后，其表面的油、灰分等雜質被清除，也改善了木纖維與PLA之間的界面黏合效果。當NaOH 溶液濃度超過8%時，復合材料的拉伸強度和沖擊強度就開始減小。其原因是NaOH 溶液濃度過高(超過8%)可能會使木纖維的結晶區結構產生破壞，導致增強木纖維自身強度下降。

圖2 木纖維的熱重分析Fig. 2 TGA of wood fiber

2.3 不同改性處理對復合材料力學性能的影響

圖4 顯示了不同方法改性處理對復合材料拉伸強度和沖擊強度影響。經過8%堿處理、3%硅烷偶聯劑處理以及8%堿+3%硅烷偶聯劑共同處理后，復合材料拉伸強度和沖擊強度都有了不同程度的提高。經過3%硅烷偶聯劑改性處理以及8%堿+3%硅烷偶聯劑共同處理后的復合材料拉伸性能均高于改性處理前復合材料拉伸性能，8%堿+3%硅烷偶聯劑共同處理后的復合材料力學性能最好。

圖3 纖維堿處理前后的木纖維表面形態Fig. 3 Fiber shape of fore-and-aft alkali treatment

圖4 不同改性處理的復合材料力學性能Fig. 4 Mechanical properties of wood fiber by different modified treatment

經3%硅烷偶聯劑改性處理后木纖維制備的復合材料力學性能提高，其原因是3%硅烷偶聯劑的分子里含有兩種不同反應基團，即無機和有機反應基團。有機基團可以與PLA樹脂結合芯層牢固的化學鍵，無機基團可以水解生成硅醇，而硅醇可以和天然木纖維表面的羥基反應，生成烷氧結構并脫水，形成牢固的化學鍵，硅烷偶聯劑在PLA于木纖維之間起到了橋梁和紐帶作用。經過8%堿+硅烷偶聯劑偶聯劑共同改性處理后，復合材料綜合力學性能最好是因為堿處理和硅烷偶聯劑產生協同效應的結果。

3 結 論

(1)復合材料拉伸強度和沖擊強度隨著木纖維質量分數的增加呈現先增大后減小的趨勢，木纖維的質量分數為30%時材料的拉伸強度和沖擊強度最大。

(2)隨著NaOH 溶液濃度的增大，復合材料的拉伸強度和沖擊強度先增大后減小，濃度為8%時復合材料的拉伸強度和沖擊強度達到最大值。

(3)木纖維經8%堿液、3%偶聯劑以及8%堿液+3%偶聯劑協同改性處理后，復合材料的力學性能都有所提高，其中木纖維經8%堿液+3%偶聯劑協同處理后的復合材料力學性能最好。

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Study on fabrication and properties of wood fiber/poly-lactic acid biodegradable composites

WU Yi-qiang1,2, LI Xin-gong1, QIN Zhi-yong1, QING Yan1, LUO Sha1
(1. School of Materials Science and Engneering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan,China;2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry, Changsha 410004, Hunan,China)

The biodegradable composites materials made from wood fiber and poly-lactic acid was prepared utilizing mixing injection molding process. The effects of modification type and amount and wood fiber mass fraction on mechanical properties of composites materials were discussed. The results show that by using 8% alkali treatment and 3% silane coupling agent treatment, mechanical properties of composite materials were significantly improved, and by using 8% alkali treatment and 3% silane coupling agent treatment,the outcome achived the best effect, the mechanical properties of composites materials were also the best. The wood fiber mass fraction was 30%, the mechanical strength was the largest.

wood fiber; poly-lactic acid; modification treatment; mechanical properties

S784；TS653.6

A

1673-923X(2012)01-0100-04

2011-12-09

國家林業局948項目(2009-4-51)；湖南省教育廳高校產業化培育項目(11CY027)；中南林業科技大學木材科學與技術 國家重點學科資助項目

吳義強(1967—)，男，河南固始人，教授，博士，博士生導師，主要從事木材材性、木材功能性改良、生物質復合材料方面的研究；E-mail: wuyiqiang@csuft.edu.cn

[本文編校：吳 毅]