稻草基淀粉環保復合材料的制備及性能研究

摘要：開發基于農作物秸稈的復合材料是提高農副產品附加值，變廢為寶，節約資源，保護環境的重要途徑。采用熱壓方法制備淀粉/上段稻草粉末復合材料，研究了淀粉用量、熱壓溫度、熱壓時間對復合材料拉伸、彎曲、硬度性能的影響。淀粉用量為40%，熱壓溫度130 ℃，熱壓時間10 min，拉伸強度可達到5.19 MPa。

關鍵詞：復合材料；秸稈；稻草；淀粉

中圖分類號：TQ317.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）04-0903-03

Study on the Preparation and Performance of the Environmentally Friendly Composite Material of Rice Straw Powder and Starch

WU Chuan-bao，WANG Yu-feng，SUN Ping，ZENG Xiang-hui

（College of Chemistry and Environmental Engineering， Jiujiang University， Jiujiang 332005，Jiangxi， China）

Abstract： Developing agricultural straw composite is an important way of increasing value of farm sideline products， which changes waste material into things of value， saves resource and protectes environment. The composite of upper straw powder and starch was prepared through hot pressing. The effects of starch dosage， pressing temperature and pressing time on the tensile properties， bending properties and hardness performance of composite were studied. The tensile strength reaches 5.19 MPa when the content of starch dosage was 40% and hot pressing was carried out at 130 ℃ for 10 min.

Key words： composite； straw； rice straw； starch

中國是水稻種植大國，每年收獲稻谷的同時，產生了大量稻草。當前，相當一部分稻草在田間被燒掉，既污染了環境，又浪費了資源。如果將稻草進行資源化利用[1-5]，則將起到緩解能源及資源短缺，減輕污染，減少溫室氣體排放的作用。本試驗對淀粉/上段稻草粉末復合材料的熱壓制備進行了研究，探討了熱壓溫度、熱壓時間、原料配比對材料拉伸、彎曲及硬度性能的影響，現將結果報告如下。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及設備

干稻草（九江市），淀粉（山東恒仁工貿有限公司），水（自來水）。MZ-2000D.D1型電腦控制萬能材料試驗機、LX-A型橡塑邵爾A硬度計、MZ-3012平板硫化機（均出產于江都市明珠試驗機械廠）。

1.2 淀粉/上段稻草粉末復合材料的制備

將稻草從中間截斷，取上段，剪為1.5 cm的小段，然后在攪拌混料機中剪切制備粉末，過20目篩，取篩下物即得稻草上段粉末。取一定質量的稻草上段粉末，加10 mL自來水，攪拌，使稻草表面被水均勻潤濕，然后加入一定質量的淀粉，使總質量為30 g，攪勻。將混合料裝入不銹鋼模具（125 mm×125 mm×2 mm），以二甲基硅油為脫模劑，在一定溫度下，以13 MPa壓力熱壓一定時間，冷卻至室溫后脫模，測量性能。

1.3 性能測試

以試樣中心為中心，標取邊長為4 cm的正方形，分別測量四個頂點的硬度。將試樣裁為3.5 cm寬的樣條，在萬能材料試驗機上使用相同的夾具，測量拉伸性能及彎曲性能，測量拉伸性能時上夾具上行，測量彎曲性能時上夾具下行，拉伸與彎曲速度為5 mm/min。

2 結果與討論

固定熱壓溫度140 ℃，熱壓時間10 min，改變淀粉與稻草上段粉末的質量比，制備了一系列淀粉/上段稻草粉末復合材料，材料的拉伸性能、硬度及彎曲性能如圖1～4所示。由圖1可見，隨淀粉用量的增加，復合材料的拉伸強度呈現先增加然后略有減小的趨勢。稻草粉末是基料，淀粉是粘接材料，通過淀粉使稻草粉末之間形成了較強的相互作用。淀粉用量增大，稻草粉末之間形成的結合點越多，抵抗拉伸破壞的能力越強，拉伸強度越高；但淀粉用量過多，會造成局部淀粉過多聚集，從而會使強度降低，所以淀粉用量不超過50%。由圖2可見，復合材料的拉斷伸長率大體隨淀粉用量的增加先增加后減小。拉斷伸長率的變化規律與拉伸強度的變化規律相同，因為強度大，稻草粉末結合點越多，在拉伸過程中發生斷裂持續的時間越長，伸長率越大。由圖3可見，復合材料的硬度具有不均勻性，一方面與稻草本身硬度的不均勻性有關，另一方面也與復合材料表面存在稻草部分、淀粉部分及兩者的接觸部分有關。不同配比條件下，硬度的波動范圍基本一致，表明配比對硬度的影響不大。由圖4可見，隨淀粉用量的增加，復合材料的彎曲強度增加。這可能與淀粉增加了復合材料的剛性有關。

固定熱壓溫度140 ℃，淀粉的質量分數為40%，改變熱壓時間，制備了一系列淀粉/上段稻草粉末復合材料，材料的拉伸性能及硬度如圖5～7所示。由圖5可見，復合材料的拉伸強度隨熱壓時間的增加大體呈現先增加后減小的趨勢。熱壓時間較短時，淀粉溶化、潤濕稻草不充分，因而強度低，熱壓時間過長，則使稻草本身變性，強度變差，從而影響復合材料的強度。由圖6可見，復合材料的拉斷伸長率在合適的時間處取得最大值，時間過長或過短，拉斷伸長率都降低。這是因為熱壓時間短，則稻草粉末結合強度不高，易分離，使得拉斷伸長率較低；熱壓時間過長，則材料自身結構發生變化，易于發生破壞，拉斷伸長率降低。由圖7可見，與配比一樣，熱壓時間對硬度的影響較小，各個熱壓時間條件下，材料的硬度波動范圍大體相同。

固定熱壓時間10 min，淀粉的質量分數為40%，改變熱壓溫度，制備了一系列淀粉/上段稻草粉末復合材料，材料的拉伸性能、彎曲性能及硬度如圖8～11所示。由圖8可見，在選定的試驗條件范圍內，復合材料的拉伸強度隨熱壓溫度的增加而減小，表明在130 ℃時，淀粉已經基本地充分溶化、潤濕稻草，增加熱壓溫度，淀粉溶化、潤濕稻草程度沒有明顯增加，但稻草及淀粉本身結構及性質改變的程度增加，從而使強度降低。由圖9可見，復合材料的拉斷伸長率在熱壓溫度過高或過低時都減小。熱壓溫度過高時，稻草及淀粉結構及性質的改變使得材料拉斷伸長率降低。在150 ℃以下，復合材料強度高，則拉斷伸長率低，這是因為強度高則稻草之間的粘接及相互束縛程度較強，變形性減弱，因而伸長率降低。由圖10可見，復合材料的彎曲強度隨熱壓溫度的增加而降低，這是由于熱壓溫度升高增加了稻草及淀粉結構與性質的改變，變性部分成為材料內部的新缺陷，隨缺陷的增加，材料彎曲強度逐漸降低。由圖11可見，熱壓溫度增加，復合材料的硬度變化不明顯，這與前面各因素對硬度的影響結果一致。

3 結論

采用加水混合然后熱壓的方法可以制備淀粉/上段稻草粉末復合材料，材料的硬度具有不均勻性，存在一定波動范圍，受外界因素影響較小，而材料的拉伸性能及彎曲性能則受溫度、配比、熱壓時間的影響而發生明顯變化，在淀粉用量為40%，熱壓溫度130 ℃，熱壓時間10 min的條件下熱壓，可以制備出強度達5.19 MPa的復合材料。

參考文獻：

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