纖維填充量對菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉復合材料性能的影響

劉雅奇，劉運浩，李普旺，王超，宋書會，何祖宇，周闖，楊子明

(1.中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091；2.華中農業大學 食品科技學院，湖北 武漢 430070)

目前，社會環保意識的提高大大促進了生物可降解材料的研究與開發，熱塑性淀粉(TPS)因其豐富、成本低而備受關注。TPS具有熱塑性，并且價格低廉，降解速率快，但與合成塑料相比，TPS存在力學和熱性能較差、對水分的敏感性明顯等缺點[1-2]。熱塑性淀粉的力學性能差限制了其在復合材料領域的應用[3-6]。天然纖維來源廣泛，價格便宜，可自然降解，具有較高的力學性能和環境友好性[7]。加入玉米秸稈纖維、黃麻纖維、甘蔗渣、麥秸纖維等可進一步改善TPS的性能[8-13]。本文采用熱壓成型法制備菠蘿葉纖維增強熱塑性淀粉復合材料，探討不同纖維填充量的菠蘿葉纖維對復合材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

菠蘿葉，來自本地湛江田間；瓜爾豆膠由上海源葉生物科技有限公司提供；雙醛淀粉、硬脂酸(麥克林)、甘油、無水乙醇均為分析純；營養土，購于沈陽花諾生物科技有限公司。

FZ102微型植物試樣粉碎機；8411電動振篩機；DLO-100高速多功能粉碎機；ZG-DR-76精密開煉機；PBLH-25平板硫化機；YF8101手動沖片機；UTM6503電子萬能試驗機；S4800掃描電子顯微鏡。

1.2 實驗方法

首先，將烘干后的菠蘿葉剪成10～20 mm的小段，利用微型植物粉碎機將菠蘿葉進行粉碎，再進行30目篩分處理，得到平均長度為0.6 mm的菠蘿葉纖維。熱塑性淀粉的制備：參照已報道的研究[10]，將得到的塊狀熱塑性淀粉剪成適宜大小投入高速粉碎機中粉碎，粉碎后裝袋密封備用。

將熱塑性淀粉、菠蘿葉纖維、硬脂酸、瓜爾豆膠按一定的比例稱量，在高速粉碎機內攪拌混合均勻，以重量比計算，菠蘿葉纖維填充量為10%，15%，20%，25%，30%，未加菠蘿葉纖維的復合材料作為對照樣，采用平板硫化機進行熱壓成型，熱壓工藝條件設定為溫度110 ℃，壓力為14 MPa，時間為30 min，待模具冷卻后脫模得到復合材料。制備復合材料的原料和作用見表1。

表1 復合材料制備所需原料Table 1 Raw materials required for preparation of composite

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

由圖1可知，隨著纖維填充量的增加，復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率都呈現先增加然后逐漸減少的趨勢。在纖維填充量為15%時，拉伸強度及斷裂伸長率都及最佳，分別為7.4 MPa，1.25%，通過與未添加菠蘿葉纖維的熱塑性淀粉基復合材料對比，拉伸強度及斷裂伸長率都分別增加了35.14%，32.80%；實驗發現，菠蘿葉纖維的加入有助于增強熱塑性淀粉基復合材料的拉伸性能。隨著纖維填充量的增加，菠蘿葉纖維起到的增強作用越強；然而，當菠蘿葉纖維填充量達到一定的程度(填充量大于15%)后，在復合材料體系中基體材料的占比相對減少，熱塑性淀粉不能很好地將菠蘿葉纖維完全包裹起來，影響了基體材料的整體性，從而導致拉伸性能出現了下降的趨勢[11-12]。

圖1 不同纖維填充量菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉復合材料的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

2.2 彎曲性能

由圖2可知，隨著菠蘿葉纖維填充量的不斷增加，復合材料的彎曲性能呈現總體增加的趨勢。當菠蘿葉纖維填充量為20%時，復合材料的彎曲強度最佳，為13.18 MPa，彎曲模量為2 245.54 MPa，相較于未添加菠蘿葉纖維的復合材料，彎曲強度和彎曲模量分別提高了49.09%，63.84%。由此說明，菠蘿葉纖維的加入對提高熱塑性淀粉基復合材料的彎曲性能起著很大的作用。實驗發現，當菠蘿葉纖維填充量為30%時，彎曲強度出現了下降，但也較未添加菠蘿葉纖維的復合材料彎曲強度有所增加。在熱塑性淀粉復合材料體系中，菠蘿葉纖維占比較多，有可能會導致纖維在基體中分散不均勻、容易發生聚集，對熱塑性淀粉基體的增強作用下降，而且菠蘿葉纖維與熱塑性淀粉基體之間的粘結力變差，從而導致彎曲性能的下降[13-14]。

圖2 不同纖維填充量菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉復合材料的彎曲性能Fig.2 Flexural properties of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

2.3 密度

圖3為不同纖維填充量菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉的密度。

由圖3可知，隨著菠蘿葉纖維填充量的增加，復合材料的密度呈現逐漸減少的趨勢。在菠蘿葉纖維填充量為15%時，復合材料的密度為1.39 g/cm3，相比纖維填充量為10%時降低了5.44%。對于菠蘿葉纖維增強熱塑性淀粉復合材料體系而言，菠蘿葉纖維填充量增加意味著在復合材料體系中所占體積也越大，熱塑性淀粉占比隨之減少。在復合材料體系總質量不變的情況下，在熱壓模具內，菠蘿葉纖維填充量越多，復合材料所占的體積也就越大[15]，其密度則逐漸降低。

圖3 不同纖維填充量菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉復合材料的密度Fig.3 Density of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

2.4 含水率

對復合材料的含水率進行了測試分析，結果見圖4。

圖4 不同纖維填充量菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉復合材料的含水率Fig.4 Water content of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

由圖4可知，隨著纖維填充量的增加，復合材料的含水率逐漸增加。當纖維填充量為30%時，復合材料的含水率為8.43%，比未添加纖維時增加了66.55%。這可能是因為隨著纖維填充量的增加，復合材料中菠蘿葉纖維的占比逐漸增加，在復合材料成型過程中菠蘿葉纖維隨機分布在復合材料基體內部，而占比減少的熱塑性淀粉不能完全地包裹在纖維表面，導致復合材料內部及表面都很容易出現空隙，進而使得復合材料容易吸收空氣的水分，其含水率逐漸增加。

2.5 表面及斷面形貌

為了研究菠蘿葉纖維在熱塑性淀粉基體中的分布形態，通過SEM觀察復合材料的微觀形貌，圖5a、5b為纖維填充量為15%時復合材料的表面及斷面形貌，圖5c、5d為纖維填充量為25%時復合材料的表面及斷面形貌。

圖5 不同纖維填充量菠蘿葉纖維/熱塑性淀粉復合材料的表面及斷面形貌Fig.5 Surface and section morphologies of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

由圖5a可知，當纖維填充量為15%時，復合材料表面較為光滑平整，突起少，說明菠蘿葉纖維與熱塑性淀粉結合緊密，形成了致密的表面。而通過對比觀察圖5c可知，當纖維添加量增加后，復合材料表面變得不平整，突起明顯增多；而且通過觀察斷面圖(圖5d)也可以進一步發現，纖維含量明顯較多，且更容易聚集在一起，這就很容易使得在熱塑性淀粉將聚集在一起的纖維包裹后，內部的纖維并不能與熱塑性淀粉有很好的結合，所以會導致力學性能的增強作用不佳[16]。通過觀察纖維填充量為15%復合材料的斷面結構(圖5b)，可以看出纖維分布較均勻，且均能被熱塑性淀粉基體及其他組分完全包裹，有利于提高復合材料的力學性能。

2.6 土壤降解性能

為研究纖維填充量對復合材料降解性能的影響，將不同纖維填充量的復合材料置于常規土壤和酵母菌土壤環境下，定期取出記錄失重率。不同纖維填充量的復合材料在常規土壤降解的條件下的失重率見圖6。

由圖6a可知，復合材料的失重率隨著降解時間的延長而逐漸增大[17]。復合材料的降解率與纖維填充之間的關系呈現正比關系，這可說明纖維填充的多少是影響復合材料降解速率的主要因素之一，這與陳杰的研究結果一致[18]。其中當纖維填充量為30%時，復合材料的降解速率最快，在35 d時失重率可達到37.25%。將圖6b與圖6a對比可知，不管在酵母菌土壤環境下還是常規土壤環境下，復合材料的失重率變化規律都大致相同，然而由于酵母菌的存在，復合材料的降解率都要高于常規土壤環境下的降解率。

3 結論

(1)研究了不同纖維填充量的菠蘿葉纖維增強熱塑性淀粉復合材料的力學性能，隨著纖維填充量的增加，拉伸強度、斷裂伸長率最大值可達7.4 MPa， 1.25%，與未添加菠蘿葉纖維的復合材料對比，拉伸強度及斷裂伸長率都分別增加了35.14%，32.80%。

(2)當纖維填充量為20%時，復合材料的彎曲強度、彎曲模量分別為13.18，2 245.54 MPa；對比未添加菠蘿葉纖維的復合材料，彎曲強度和彎曲模量分別提高了49.09%，63.84%。

(3)隨著纖維填充量的增加，復合材料的密度逐漸減少的趨勢、含水率呈現逐漸增加的趨勢；通過觀察復合材料的表面形貌，纖維填充量的增多會導致復合材料表面變得不平整，且有較多突起；從斷面形貌可以看出，基體材料只有將菠蘿葉纖維包裹起來，才有利于增強熱塑性淀粉復合材料的力學性能。

(4)復合材料的失重率隨著降解時間的延長而逐漸增大。不管在酵母菌土壤環境下還是常規土壤環境下，復合材料的降解率基本與纖維填充量呈現正比關系。