木纖維含量對(duì)注塑成型木纖維/聚乳酸復(fù)合材料性能的影響

潘宇峰　劉欣　劉珊杉　劉巍巖

摘要： 利用注塑成型的工藝方式制備木纖維/聚乳酸（PLA）復(fù)合材料，研究了較高木纖維含量對(duì)木纖維/PLA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，木纖維的加入對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)性能有顯著的影響。加入木纖維后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有微小的降低，彈性模量和拉伸模量有顯著提高；但隨著加入木纖維含量的提高，復(fù)合材料體系彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度會(huì)有所回升。

關(guān)鍵詞： 木纖維； 聚乳酸； 注塑成型； 力學(xué)性能； 纖維含量

中圖分類號(hào)： S 781. 7， TS 653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

聚乳酸（PLA）是一種可以在植物淀粉中提取原料的塑料制品，具有高強(qiáng)度、可再生、可降解、易加工等優(yōu)良特性，是替代現(xiàn)有石油基塑料的理想材料[ 1 ]。然而聚乳酸材料的價(jià)格相對(duì)較高，且不能長時(shí)間高溫加工，在一定程度上限制了它的發(fā)展和應(yīng)用[ 2 - 3 ]。因此，相對(duì)加工過程較短、成型速度較快的注塑工藝，更適合聚乳酸材料的加工。將木纖維與聚乳酸復(fù)合，可以大大降低材料的成本，同時(shí)還能提高材料的某些性能[ 4 ] 。

本研究通過楊木纖維與聚乳酸進(jìn)行復(fù)合，采用注塑工藝，制備高纖維含量的木纖維/PLA復(fù)合材料，并探討不同木纖維含量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能和拉伸性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1. 1 材料及儀器

木材纖維：楊木纖維，40～80目， 取自黑龍江省拜泉縣。

聚乳酸：美國NatureWorks公司生產(chǎn)的3251D型聚乳酸粒料，熔融指數(shù)35 g/10 min，190 ℃。

試驗(yàn)設(shè)備包括：電熱式鼓風(fēng)恒溫干燥箱，DHG-9625A；高速混合機(jī)，SHR-10A；雙螺桿擠出機(jī)，SJSH30；注塑機(jī)，JPH80；電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，RGT - 20A 。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備

將楊木纖維放置在溫度為103 ℃的烘箱中進(jìn)行烘干，直至木纖維含水率≤3%。由于注塑工藝對(duì)材料的流動(dòng)性能要求較高，因此選擇熔融指數(shù)較高的注塑型聚乳酸原料。將楊木纖維、聚乳酸粒料分別按質(zhì)量份數(shù)為2/8，3/7和4/6進(jìn)行稱重混合，然后放入高速混合機(jī)，先進(jìn)行低速混合5 min后，再高速混合5 min，將混合后的原料加入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的熔融混合、擠出造粒。

將制備好的木纖維/聚乳酸粒料加入注塑機(jī)中進(jìn)行注塑加工，直接注塑成密度為1.2 g/cm3的3種力學(xué)測試試件。注塑好的試件形狀均為拉伸試件的尺寸，厚度4 mm，長度15 mm。將部分試件剪切成符合GBT_1449《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》[ 6 ]中彎曲性能測試要求的試件尺寸10 mm×10 mm×4 mm（長×寬×厚）。

1. 2. 2 性能測試

參照GBT_1449《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》、GBT_1449《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，對(duì)復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度等性能指標(biāo)進(jìn)行測試。每種配方有試件6塊，每項(xiàng)性能測試在每塊板材上取1塊試樣，測試結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

由 試驗(yàn)結(jié)果（表1）可以發(fā)現(xiàn)，木纖維的加入對(duì)注塑方法制備的木纖維/PLA復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有顯著影響。木纖維含量對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)性能也具有較為顯著的影響。

2. 1 木纖維含量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

由圖2表1可以看出，加入木纖維后，木纖維/PLA復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度有微小的下降；隨著加入木纖維比例的增加，靜曲強(qiáng)度又有所提高。這是由于加入木纖維后，材料的整體連續(xù)性有所降低，然而當(dāng)木纖維含量增加到一定比例后，聚乳酸基質(zhì)的結(jié)晶度會(huì)有所提高，因此復(fù)合體系的靜曲強(qiáng)度也有所提高[ 5 - 6 ]。

另外，較少的纖維含量使體系中的木纖維分布并不能形成連續(xù)的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還會(huì)在一定程度上降低原有PLA分子鏈的連續(xù)性[ 8 ]，因此木纖維含量較少的試件其靜曲強(qiáng)度較低。當(dāng)加入的木纖維含量逐漸增加，復(fù)合材料體系中的纖維能夠形成完整的增強(qiáng)體系，整體的靜曲強(qiáng)度又有所提高。

同時(shí)，純PLA試件的彈性模量較低，加入木纖維后復(fù)合材料的彈性模量有顯著提高，達(dá)到了100%以上。這主要是由于木纖維的加入增加了體系的結(jié)晶度和剛度，使彈性模量有所提高；同時(shí)，木纖維的加入使整個(gè)復(fù)合體系中PLA的分子鏈連續(xù)性降低，使得復(fù)合材料的彈性降低，因此復(fù)合材料在受到外力后變形程度減小。

2. 2 木纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果（圖3）表明，不同木材纖維含量復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度的變化規(guī)律相一致，木纖維的加入會(huì)少量降低復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。本研究中所使用的木纖維并未經(jīng)過改性處理，因此木纖維與聚乳酸基質(zhì)的界面結(jié)合并不十分牢固，木纖維的加入會(huì)在一定程度上降低PLA基質(zhì)的完整性和連續(xù)性，當(dāng)加入的木纖維較少時(shí)，木纖維在PLA基質(zhì)中無法形成連續(xù)的分散狀態(tài)，因此未起到增強(qiáng)作用。木纖維較少時(shí)，某些纖維與PLA基質(zhì)的結(jié)合處反而會(huì)使體系的薄弱點(diǎn)增加，因此拉伸強(qiáng)度會(huì)有所下降。隨著木纖維含量的增加，以木纖維為結(jié)晶起始點(diǎn)的PLA異相結(jié)晶現(xiàn)象也會(huì)有所增加，結(jié)晶度隨之提高，促使整個(gè)復(fù)合材料體系的拉伸強(qiáng)度提高。

圖3 不同復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量

圖3表明，隨著木纖維含量的增加，體系的拉伸模量也隨之增加，結(jié)合表1中材料的斷裂伸長率數(shù)據(jù)分析可知，加入木纖維后，體系在拉力方向上的彈性減小，受力后體系形變減小。這是由于未加入木纖維前，體系中PLA分子鏈的結(jié)晶方式主要受加工中剪切作用和流道方向影響，與拉力方向一致，分子鏈在拉力方向上有較大的伸展變化空間；而加入了木纖維的復(fù)合材料體系中，木纖維與PLA基質(zhì)之間的結(jié)合方式為橫向結(jié)晶方式[ 7 - 8 ]，結(jié)晶方向垂直于拉力方向，因此在受到拉力作用時(shí)可伸縮的空間較小。

3 結(jié) 論

3. 1 通過對(duì)3種木纖維/PLA復(fù)合材料樣品幾項(xiàng)性能的測試和分析得出，可以通過注塑成型的方式制備WF/PLA復(fù)合材料，需要選用熔指較高的聚乳酸原料進(jìn)行制備。在聚乳酸體系中加入木纖維，對(duì)材料的力學(xué)性能有顯著影響；相比純聚乳酸材料，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有微小的降低，但其彈性模量有顯著提高。

3. 2 復(fù)合材料體系中木纖維的含量，會(huì)在一定程度上影響材料的彎曲性能和拉伸性能。較高含量的木纖維能夠使纖維分布更加連續(xù)，具有一定的增強(qiáng)效果，因此彎曲強(qiáng)度和拉升強(qiáng)度會(huì)優(yōu)于前者。

3. 3 木纖維的加入，會(huì)在一定程度上改變復(fù)合材料體系中PLA的結(jié)晶形態(tài)、結(jié)晶度和結(jié)晶方向，因此，相比純PLA復(fù)合材料體系的彎曲模量和拉伸模量會(huì)顯著增加。

參考文獻(xiàn)

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第1作者簡介： 潘宇峰（1979 -）， 助理工程師， 研究生， 主要研究方向?yàn)槟静募皬?fù)合材料制備。

通訊作者： 劉欣（1980-）， 女， 碩士研究生， 副研究員。 研究方向： 林業(yè)科學(xué)。

收稿日期： 2018 - 05 - 15

（責(zé)任編輯： 潘啟英）

Abstract The injection moulding process was employed in this study to product the WF/PLA composites. WF/PLA. It was found that the injection moulding was a feasible method to prepare WF/PLA composites. The wood fiber would significance influence on the mechanical properties of WF/PLA composite： the bending strength and tension strength slightly lower than that of pure PLA， however with the increasing of wood fiber ratio the bending strength and tension strength is raise.

Key words Wood fiber； Poly（Lactic Acid）； Injection moulding； Mechanical properties； Fiber content