稻殼/淀粉復合材料的力學性能分析

汪俊等

摘 要 為研究環境友好材料，采用熱壓成型方法制備稻殼/淀粉復合材料。探討了稻殼粉填充量和硅烷偶聯劑用量對復合材料力學性能的影響。結果顯示：稻殼粉填充量為90%時復合材料的力學性能較高，復合材料的拉伸強度、彎曲強度隨稻殼添加量的減少而明顯下降，沖擊強度隨稻殼添加量的減少先下降后上升；添加適量的偶聯劑可以改善復合材料界面相容性，且偶聯劑含量為6%時復合材料的力學性能較好。

關鍵詞 稻殼/淀粉復合材料；力學性能；偶聯劑

中圖分類號：B332 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2015）21--02

采用稻殼等植物纖維和淀粉制備的復合材料，具有其他復合材料無法比擬的質輕價廉、易加工、可再生和可生物降解等優點[1-3]。雖然國內外學者對稻殼粉制備復合材料已作了大量研究，但其中采用的高分子聚合物[4-7]為原料大都為不可降解的原料（如PVA、EVA等）[8]。

節能和環保是當今世界緊迫要求。筆者以稻殼和淀粉為原料，采用熱壓成型方法制備稻殼/淀粉復合材料，探討稻殼粉填充量和硅烷偶聯劑用量對復合材料拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲彈性模量以及沖擊強度的影響。

1 材料與方法

1.1 主要原料

稻殼，粉末狀，自制；淀粉，食用淀粉，南京甘汁園糖業食品公司；硅烷偶聯劑，KH550

南京化學試劑有限公司。

1.2 試樣制備

選取相應比例淀粉和稻殼粉，混合后放在攪拌機中充分攪拌10 min后取出，烘干，依照模具規格稱取相應質量，填入模具中，在模壓溫度145 ℃，模壓時間10 min，模壓壓力12 Mpa的條件下熱壓成型，成型結束后需等待冷卻（模具至常溫）后脫模，取出樣品。

1.3 測試方法

力學性能：分別按GB/T1040-1992、GB/T17657-1999用CSS-44100電子萬能試驗機測定聚丙烯復合材料拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量。按GB/T 1451-83用XJJ-5型簡支梁沖擊試驗機上測定稻殼淀粉復合材料沖擊強度，每個試驗重復3次，取平均值。

2 結果與分析

2.1 稻殼粉含量對復合材料力學性能的影響

由圖1可知，稻殼粉填充量為90%時，復合材料力學性能較好。而隨著稻殼粉填充量的減小，力學性能下降，可能是稻殼粉纖維作為整個復合材料的骨架起到支撐和增強的作用。當稻殼粉含量高時，淀粉與稻殼粉之間相容性較好，表現為復合材料有較好的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲彈性模量。而隨著稻殼粉含量減少淀粉含量增加，兩者粘合性減弱，導致復合材料拉伸和彎曲性能下降。復合材料的沖擊強度隨淀粉含量的增加，先減小后增加，其原因可能是淀粉團聚體中淀粉分子鏈段之間的氫鍵作用，材料的抗沖擊性能反而好。

a.拉伸強度和拉伸模量

b.彎曲強度和彎曲彈性模量

c.沖擊強度

圖1 不同稻殼粉填充量的稻殼/淀粉復合材料的力學性能

2.2 偶聯劑KH550含量對復合材料力學性能的影響

a.拉伸強度和拉伸模量

b.彎曲強度和彎曲彈性模量

c.沖擊強度

圖2 KH550含量對復合材料力學性能的影響

由圖2中可以看出，偶聯劑KH550含量增加后復合材料各項力學指標均有不同程度的提高。其中，KH550含量為6%的復合材料拉伸強度極顯著高于其他填充量的復合材料（P<0.01）；KH550含量為6%的復合材料彎曲強度極顯著高于其他填充量的復合材料（P<0.01）；KH550含量為4%的復合材料沖擊強度極顯著高于沒有添加偶聯劑的復合材料。

硅烷偶聯劑用量在一定范圍內，復合材料的力學性能隨硅烷偶聯劑用量的增加而增強，主要原因在于硅烷偶聯劑與稻殼粉表面羥基發生化學反應。同時，稻殼粉經表面改性后，其表面的親水性-OH基團數減少，淀粉與稻殼粉表面之間有更強的表面鍵合，提高了稻殼粉與淀粉的相容性及其在淀粉中的分散性，所以復合材料的界面結合能力得到改善的同時，也增加了復合材料的脆性，所以使得復合材料的沖擊強度有所下降。

3 結論

隨著稻殼粉含量的減少，稻殼/淀粉復合材料的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲彈性模量下降，稻殼粉含量為90%時，綜合力學性能較好；硅烷偶聯劑能提高稻殼/淀粉復合材料的力學性能，當偶聯劑含量為6%時，復合材料的綜合力學性能較好。

參考文獻

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（責任編輯：趙中正）