淀粉／茅草復合材料的熱壓制備工藝研究

盧琴芳，徐常龍，李國朝

（九江學院 化學與環(huán)境工程學院，江西 九江 332005）

由于傳統(tǒng)塑料難以自然降解，會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染。為解決該問題，一些研究者以淀粉為填料與塑料復合以此改善塑料的降解性能［1－3］，或制備熱塑性全淀粉塑料代替部分傳統(tǒng)塑料［4－9］，也有研究者將淀粉與其他天然高分子物質(zhì)，如纖維素、殼聚糖及木質(zhì)素等進行復合而制備完全生物降解材料［10－13］。纖維素、殼聚糖及木質(zhì)素等物質(zhì)雖出自天然，但需一定的純化過程，會使制備復合材料的成本提高。本文為開發(fā)一種低成本的淀粉基復合材料，采用茅草，經(jīng)簡單粉碎后直接與淀粉進行復合，探索制備淀粉／茅草復合材料的工藝條件對材料力學性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：甲基硅油（201型，杭州西湖有機硅廠）；淀粉（山東恒仁工貿(mào)有限公司）；茅草（九江學院附近山坡）。

儀器：平板硫化機（MZ－3012型，江都市明珠試驗機械廠）；電腦控制萬能材料試驗機（MZ－2000D，江都市明珠試驗機械廠）；模具（自制）；橡膠邵爾A硬度計（LX－A，江都市明珠實驗機械廠）。

1.2 淀粉／茅草復合材料試樣的制備

先將茅草在日光下曬干，然后放入混合器碾碎，得到的茅草粉末粒徑分布見表1。以水作為塑化劑，將一定量的水加入茅草粉混勻（按配方稱取茅草粉、淀粉等原料），在燒杯中手工攪拌原料3min，使茅草粉和淀粉混合均勻。

以甲基硅油為脫模劑，均勻涂于模具表面；將一定量的淀粉／茅草混合料倒入模具中并均勻鋪開，將模具放在加熱至一定溫度的平板硫化機的上下模板間，在一定溫度和壓力下熱壓一定時間后，冷至室溫，脫模制得淀粉／茅草復合板材，密度為0.76g／cm3。

表1 鋸末的粒徑分布

1.3 淀粉／茅草復合板材的性能測試

復合材料的拉伸強度和扯斷伸長率按GB／T 1447—2005進行測量；硬度用邵氏硬度計在板材上均勻選取5點進行測量，5點平均值作為板材硬度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉用量對復合板材性能的影響

在熱壓溫度為120℃、塑化劑水用量為25%（濕基）、時間10min和壓力12MPa條件下，改變淀粉與茅草粉的比例，制備系列淀粉／茅草粉復合板材，測試邵氏硬度、拉伸強度和材料的扯斷伸長率，結(jié)果見表2。

表2 淀粉用量對復合板材力學性能的影響

由表2可見，隨著淀粉質(zhì)量分數(shù)的增大，復合板材的硬度逐漸減小，但拉伸強度和扯斷伸長率升高；當?shù)矸塾昧繛?0%時，材料的拉伸強度和扯斷伸長率都達到了最高值，而材料的硬度達到最小值，拉伸強度的變化最顯著，在淀粉用量為40%復合板材的拉伸強度值是其他用量下的兩倍多，此時的硬度雖最低，但差值并不大。當?shù)矸塾昧可儆?0%時，淀粉在茅草粉顆粒表面的分散不勻，不能完全覆蓋茅草粉的表面，熱壓成型后，板材的內(nèi)部存在缺陷，材料的拉伸力學性能受到影響；當?shù)矸塾昧窟_到40%后，作為黏結(jié)劑的淀粉溶脹后可以均勻充滿茅草粉顆粒之間并覆蓋在茅草粉的表面，材料內(nèi)部無缺陷，所以復合板材的拉伸強度和扯斷伸長率都達到最大值。材料的硬度隨淀粉加入量而減小的原因是：材料的干基總質(zhì)量不變，當?shù)矸哿吭黾訒r，茅草粉的質(zhì)量按比例降低，由于茅草粉的表觀密度極低，茅草粉的質(zhì)量分數(shù)越低，混合物料的體積越小，在模具中經(jīng)熱壓成型后，復合板材越疏松，硬度也越低。當?shù)矸鄣馁|(zhì)量分數(shù)超過40%后，增加淀粉用量不僅不能提高復合板材的力學性能，材料的抗拉強度和扯斷伸長率反而減小，硬度略有增大。當?shù)矸酆砍^40%時，由于茅草粉用量按比例減少，覆蓋茅草粉顆粒所需淀粉量減少，說明大量淀粉填充在茅草粉顆粒之間，因淀粉材料的強度低于茅草顆粒的強度，造成了復合板材抗拉強度和扯斷伸長率的下降。材料的硬度略微增大的原因是：由于材料的連續(xù)相是淀粉，當?shù)矸塾昧砍^40%后，茅草粉用量對復合板材硬度的影響變小，主要取決于淀粉的硬度，由于淀粉材料熱壓成型后的硬度較大，使復合板材的硬度又略有上升。

2.2 水用量對復合板材性能的影響

在熱壓溫度為120℃、茅草粉60%（干基）、淀粉40%（干基）、熱壓時間10min和壓力12MPa的條件下，改變水的用量，制備系列淀粉／茅草粉復合板材，測試邵氏硬度、拉伸強度和材料的扯斷伸長率，結(jié)果見表3。

表3 塑化劑用量對復合材料性能的影響

從表3可知，當水的用量達復合材料的濕基質(zhì)量25%時，復合板材的拉伸強度和扯斷伸長率最高，硬度最低。當用水量為25%時，淀粉在熱壓條件下，與水作用得到充分溶脹，其黏性和延展性最好，與增強材料茅草粉的復合也最好，所以用水量為25%時的力學性能最好。當用水量低于25%時，淀粉不能得到充分溶脹，黏性和延展性較低；當用水量超過25%時，加水量越多，混合物料中自由水分含量越多，由于熱壓溫度為120℃，材料中的自由水分變?yōu)檫^熱蒸氣，以氣泡形式從材料中逸出，從而在材料內(nèi)部形成缺陷，造成復合板材力學性能較低。材料的硬度變化剛好相反，當用水量為25%時，黏結(jié)劑的黏性和柔韌性最好，所以復合板材的柔韌性最好，材料的硬度較低；當用水量低于或超過25%時，復合板材的復合不完善，盡管材料的拉伸強度和柔韌性較低，但硬度卻略有提高。

3 結(jié)論

（1）用熱壓成型方法可以制備淀粉含量為20%～50%（干基）的淀粉／茅草復合材料。控制黏結(jié)劑和塑化劑含量等工藝參數(shù)可獲得良好的復合材料。

（2）淀粉含量為40%（干基），水含量25%（濕基）、熱壓溫度120℃、熱壓時間10min時，制備的淀粉／茅草復合材料的拉伸性能和柔韌性最好，復合板材的拉伸強度和扯斷伸長率分別達到5.53MPa和12.10%，此時材料的硬度較低，HA值為89。

（

）

［1］季美琴，王益慶，吳友平，等.新型淀粉／丁腈橡膠復合材料［J］.合成橡膠工業(yè)，2003，26（5）：314.

［2］邱威揚，邱賢華，王飛鏑，等.淀粉塑料一降解塑料研究與應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.

［3］文勝，閆禮成，龔春麗，等.聚乳酸／聚烯烴彈性體／淀粉復合材料的制備及性能研究［J］.膠體與聚合物，2011，29（2）：81－83.

［4］邱清華，田林，喻繼文，等.全淀粉熱塑性塑料研究進展［J］.現(xiàn)代化工，1999（2）：15－17.

［5］陳慶，崔彪全.淀粉生物降解塑料技術研究現(xiàn)狀［J］.塑料工業(yè)，2010（4）：1－5.

［6］邱威揚，邱賢華，喻繼文，等.生物降解熱塑性全淀粉塑料研制［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（8）：185－188.

［7］劉學，王瀾全.淀粉熱塑性塑料及研究［J］.塑料制造，2007（1）：37－41.

［8］胡愛琳，王公應.全淀粉降解塑料的研究進展［J］.精細化工，2004，21（10）：759－762.

［9］赫玉欣，由文穎，宋文生，等.淀粉基生物降解塑料的應用研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.河南科技大學學報，2006，27（1）：61－65.

［10］何小維，黃強.淀粉基生物降解材料［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2008.

［11］吳傳保，孫平，李國朝，等.熱壓法制備PVA魔切上段稻草復合材料研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）：52－54.

［12］李兆龍，陶薇薇.可完全生物降解的殼聚糖－纖維素或淀粉復合材料［J］.化工新型材料，1997（8）：21－23.

［13］張春紅，王榮華，陳秋玲.等.植物纖維在全生物降解復合材料中的應用研究進展［J］.材料導報，2007，21（10）：35－38.