稻殼/淀粉復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

汪俊等

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

關(guān)鍵詞 稻殼/淀粉復(fù)合材料；力學(xué)性能；偶聯(lián)劑

中圖分類號(hào)：B332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-890X（2015）21--02

采用稻殼等植物纖維和淀粉制備的復(fù)合材料，具有其他復(fù)合材料無(wú)法比擬的質(zhì)輕價(jià)廉、易加工、可再生和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻殼粉制備復(fù)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(jié)能和環(huán)保是當(dāng)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(fù)合材料，探討稻殼粉填充量和硅烷偶聯(lián)劑用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量以及沖擊強(qiáng)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(yè)食品公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH550

南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試樣制備

選取相應(yīng)比例淀粉和稻殼粉，混合后放在攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?0 min后取出，烘干，依照模具規(guī)格稱取相應(yīng)質(zhì)量，填入模具中，在模壓溫度145 ℃，模壓時(shí)間10 min，模壓壓力12 Mpa的條件下熱壓成型，成型結(jié)束后需等待冷卻（模具至常溫）后脫模，取出樣品。

1.3 測(cè)試方法

力學(xué)性能：分別按GB/T1040-1992、GB/T17657-1999用CSS-44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。按GB/T 1451-83用XJJ-5型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定稻殼淀粉復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻殼粉含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖1可知，稻殼粉填充量為90%時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能較好。而隨著稻殼粉填充量的減小，力學(xué)性能下降，可能是稻殼粉纖維作為整個(gè)復(fù)合材料的骨架起到支撐和增強(qiáng)的作用。當(dāng)?shù)練し酆扛邥r(shí)，淀粉與稻殼粉之間相容性較好，表現(xiàn)為復(fù)合材料有較好的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)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(dǎo)致復(fù)合材料拉伸和彎曲性能下降。復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨淀粉含量的增加，先減小后增加，其原因可能是淀粉團(tuán)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(qiáng)度和拉伸模量

b.彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量

c.沖擊強(qiáng)度

圖1 不同稻殼粉填充量的稻殼/淀粉復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2 偶聯(lián)劑KH550含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

a.拉伸強(qiáng)度和拉伸模量

b.彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量

c.沖擊強(qiáng)度

圖2 KH550含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

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

硅烷偶聯(lián)劑用量在一定范圍內(nèi)，復(fù)合材料的力學(xué)性能隨硅烷偶聯(lián)劑用量的增加而增強(qiáng)，主要原因在于硅烷偶聯(lián)劑與稻殼粉表面羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，稻殼粉經(jīng)表面改性后，其表面的親水性-OH基團(tuán)數(shù)減少，淀粉與稻殼粉表面之間有更強(qiáng)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(fù)合材料的界面結(jié)合能力得到改善的同時(shí)，也增加了復(fù)合材料的脆性，所以使得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度有所下降。

3 結(jié)論

隨著稻殼粉含量的減少，稻殼/淀粉復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量下降，稻殼粉含量為90%時(shí)，綜合力學(xué)性能較好；硅烷偶聯(lián)劑能提高稻殼/淀粉復(fù)合材料的力學(xué)性能，當(dāng)偶聯(lián)劑含量為6%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：趙中正）