三種竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的物理力學(xué)性能及相容性研究

王洪艷，李 琴，袁少飛，張 建

（浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310023）

隨著資源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，可降解塑料特別是生物可降解塑料受到人們的關(guān)注并成為研究熱點(diǎn)[1-4]。在眾多的可降解塑料中，被稱為“玉米塑料”[5-6]的聚乳酸（PLA）以其優(yōu)良的生物相容性和降解性在行業(yè)中脫穎而出。聚乳酸 （PLA）是從玉米淀粉經(jīng)生物發(fā)酵產(chǎn)生乳酸后經(jīng)過化學(xué)提取而制備，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能（較高的強(qiáng)度）及良好的加工性能（可擠出、吹塑和注塑成型等），在倡導(dǎo)綠色環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的今天，聚乳酸（PLA）必將受到更多的重視[7-10]。與普通塑料（如PP、PE）相比，聚乳酸 （PLA）最大缺點(diǎn)就是價(jià)格高，為降低聚乳酸（PLA）成本，本文采用價(jià)格較低的竹粉和聚乳酸（PLA）混合制備竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料，研究了不同目數(shù)的竹粉及馬蘭酸酐接枝前后竹粉對竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的物理力學(xué)性能及相容性的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

竹粉：40目和100目，購于安吉明珠竹粉廠；聚乳酸（PLA）：型號 2003D，美國 Nature Works公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

真空干燥箱：DZF-6050型，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；高速混料機(jī)：張家港白熊機(jī)械有限公司生產(chǎn)的100L高速混料機(jī)；雙螺桿擠出機(jī)擠出機(jī)：SWMSZ-P1破碎造粒設(shè)備，南京賽旺科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)；注塑機(jī)：HTF90W1-A注塑機(jī)，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；萬能制樣機(jī)：HY-W型，承德大華試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)；萬能材料試驗(yàn)機(jī)：In-stron5567型，美國Ins tron公司生產(chǎn)；組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：XJ-50Z型，承德大華試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)；電子掃描顯微鏡（SEM）:日立S-3400N，日本日立公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 竹粉的前處理

干燥：將40目和100目的竹粉的竹粉在103℃下干燥24小時(shí)，備用。

馬來酸酐接枝處理：將干燥后的40目的竹粉在5%馬來酸酐—丙酮溶液中充分浸潤后分散，然后再103℃下干燥后備用。

1.3.2 竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的制備

將聚乳酸（PLA）在60℃真空干燥24小時(shí)候備用。

將干燥后的聚乳酸（PLA）、竹粉一定比例的在高速混料機(jī)中，并添加適量的環(huán)氧大豆油，滑石粉等輔料進(jìn)行共混，共混時(shí)先低速攪拌約5分鐘，然后高速攪拌約10分鐘，最后低速攪拌約5分鐘后放料。

將共混后的混合料，用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行拉條造粒，機(jī)筒溫度170～180℃，機(jī)頭溫度165℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速約11rmb，喂料轉(zhuǎn)速約15rmb。

1.3.3 樣條的注塑成型

將竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料顆粒放入海天注塑機(jī)，并按照美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行樣條的注塑，其中注塑溫度170～190℃。

1.3.4 物理力學(xué)性能測試

按照ASTMD638標(biāo)準(zhǔn)測試材料的拉伸強(qiáng)度及彈性模量，拉伸速度為5mm/min；按照ASTMD790標(biāo)準(zhǔn)測試?yán)鞆?qiáng)度及彎曲模量，壓縮速度為2mm/min；按照ASTMD256標(biāo)準(zhǔn)測試懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度。

1.3.5 竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料流動(dòng)性能測試

按照ASTMD1238標(biāo)準(zhǔn)測試竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料流動(dòng)性能，測試溫度190℃，負(fù)載2.16KG。

1.3.6 表面形態(tài)測試

將竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料顆粒經(jīng)真空噴金后，在電子掃描顯微鏡（SEM）下觀察顆粒表面形態(tài)及竹粉、聚乳酸的相容情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹粉顆粒大小及接枝前后對竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料物理力性能影響

40目竹粉、100目竹粉及馬來酸酐接枝處理對竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料物理力性能影響見下表1。

表1 三種竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料物理力性能Tab.1 The mechanical properties of three kinds of bamboo-Polylactic acid composite materials

表1看到，采用40目竹粉制成的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為19.3MPa，彎曲強(qiáng)度為41.3MPa；采用100目竹粉制成的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為24.2MPa，提高了25.4%，彎曲強(qiáng)度為43.9MPa，提高了6.3%，說明竹粉目數(shù)增大，竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的物理性能增加，這可能是因?yàn)橹穹勰繑?shù)增大，竹粒徑變小，竹粉和聚乳酸（PLA）在共融時(shí)時(shí)相容性更好，結(jié)合的更加緊密導(dǎo)致。經(jīng)馬來酸酐接枝的40目竹粉和聚乳酸（PLA）制成的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為24.2MPa，彎曲強(qiáng)度為 42MPa，和 40目竹粉相比，拉伸強(qiáng)度提高了25.4%，彎曲強(qiáng)度變化不大，僅提高了1.7%。馬來酸酐作為偶聯(lián)劑，相關(guān)研究表明[11]馬來酸酐作為偶聯(lián)劑具有較好的表面反應(yīng)活性，一部分基團(tuán)可與竹粉中的-OH發(fā)生酯化反應(yīng)，消弱竹粉表面的極性，同時(shí)另一部基團(tuán)可與聚乳酸（PLA）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理纏繞，從而能將竹粉和聚乳酸（PLA）這兩種極性差別較大的材料結(jié)合在一起，經(jīng)馬來酸酐接枝的竹粉與聚乳酸（PLA）共混融熔時(shí)增加了復(fù)合材料的相容性，因此竹粉和聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的物理力學(xué)性能提高。

2.2 竹粉顆粒大小及接枝前后對竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料流動(dòng)性能影響

190℃時(shí)竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料流動(dòng)性能見下表2。

表2 三種竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的流動(dòng)性能Tab.2 The liquidity of three kinds of bamboo-Polylactic acid composite materials

流動(dòng)性一般指的是流體即材料在加工時(shí)熔融狀態(tài)下的流動(dòng)性。流動(dòng)性差的話，加工出來塑料制品的形狀不規(guī)則，加工設(shè)備內(nèi)部壓力過大，生產(chǎn)連續(xù)性差，且工作效率低。表2看到，采用40目竹粉和聚乳酸（PLA）制成的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料在190℃，10min的流動(dòng)質(zhì)量在3.4g，而采用100目的竹粉制得的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的流動(dòng)質(zhì)量為5.9g，提高了73.5%；采用馬來酸酐接枝的40目的竹粉制得的復(fù)合材料的流動(dòng)質(zhì)量為5.5g，提高了61.8%，流動(dòng)質(zhì)提高，復(fù)合材料的流動(dòng)性明顯增強(qiáng)，有益于后期竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的生產(chǎn)加工。

流動(dòng)性的結(jié)果說明采用高目數(shù)的竹粉和采用經(jīng)馬來酸酐接枝后的竹粉對竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的流動(dòng)性有積極的促進(jìn)作用，這也可能是由于竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料中竹粉和聚乳酸的相容性得到明顯改善所至。

2.3 竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料顆粒表面形態(tài)研究

竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料顆粒表面形態(tài)的掃描電鏡分析見下圖1

圖1 竹粉-聚乳酸（PLA）復(fù)合材料顆粒表面形態(tài)的掃描電鏡圖Fig.1 The SEM photographs of three kinds of bamboo-Polylactic acid composite materials

圖1 看到，40目的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合體系中，竹粉顆粒比較明顯，緊密度也比較差，而且斷面也粗糙不平，說明采用40目的竹粉制得的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料中，竹粉和聚乳酸相容性比較差；100目的竹粉—聚乳酸（PLA）和馬來酸酐接枝后的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合體系中，看不到竹粉顆粒的存在，同時(shí)斷面較為光滑，復(fù)合材料中竹粉在聚乳酸（PLA）中的緊密型也比較好，說明二者的相容性較好。掃描電鏡的結(jié)果也證實(shí)了2.1和2.2中的推斷，即采用100目的竹粉、經(jīng)馬來酸酐接枝后的竹粉所制得的竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料，材料的相容性得到明顯提高。

3 結(jié)論

采用40目、100目、經(jīng)馬來酸酐接枝后的40目竹粉分別與聚乳酸（PLA）共混，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)造粒制成竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料。測試了這三種竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的物理力學(xué)性能、流動(dòng)性能和材料表面形貌，結(jié)果表明：

（1）同40目竹粉相比，采用100目竹粉、經(jīng)馬來酸酐接枝后的40目竹粉，竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的物理力學(xué)性能明顯提高，拉伸強(qiáng)度分別提高25.4%和25.4%；彎曲強(qiáng)度分別提高6.3%和1.7%。

（2）同40目竹粉相比，采用100目竹粉、經(jīng)馬來酸酐接枝后的40目竹粉，竹粉—聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的流動(dòng)性明顯提高，分別提高了73.5%和61.8%；

（3）掃描電鏡圖片顯示物理力學(xué)性能和流動(dòng)性能提高的主要原因是竹粉和聚乳酸（PLA）二者的相容性明顯提高。

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