麻增強型淀粉基復(fù)合膜的制備與力學(xué)性能研究*

云川

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

塑料的使用給人們帶來了極大的便利，但也帶來了嚴重的污染問題。傳統(tǒng)塑料主要由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚酯(PET)等制備而成[1]，這些材料難以自然降解且原料為不可再生資源，對環(huán)境和資源產(chǎn)生了極大壓力。為了緩解傳統(tǒng)塑料所帶來的壓力，研究人員致力于研發(fā)可自然降解塑料，目前主要有聚乳酸塑料、聚己內(nèi)酯塑料、淀粉基塑料等[2]。由于淀粉價格低廉、來源豐富且可再生，近年來淀粉基塑料受到了極大關(guān)注[3]。但由于淀粉存在親水性強、成膜性差等缺陷[4]，當塑料產(chǎn)品中淀粉含量增加時，材料的力學(xué)性能隨之下降，無法滿足應(yīng)用要求。因此，在提高淀粉基塑料中淀粉比例的同時，又要保證塑料具有良好的力學(xué)性能，成為淀粉基塑料研發(fā)的難點之一[5]。

為了解決淀粉基塑料力學(xué)性能不足的問題，研究人員考慮使用增強基體材料來提高其力學(xué)性能。麻纖維因其優(yōu)異的拉伸性能和韌性，成為增強材料的不二選擇[6]。張傳偉等[7]將改性劍麻纖維、熱塑性淀粉和聚乙烯醇制漿，然后模壓發(fā)泡，制得麻增強熱塑性淀粉復(fù)合材料，探究了纖維長度和用量以及模壓工藝對材料抗拉強度的影響；周雙等[8]將劍麻纖維經(jīng)堿處理，然后將其與熱塑性淀粉、低密度聚乙烯混合，制備復(fù)合材料以增強其力學(xué)性能；劉興靜等[9]以熱塑性淀粉、聚丁二酸丁二醇酯為基體，麻纖維為填料，采用注塑法制備復(fù)合材料，探究了麻纖維含量、處理方式和麻種類對材料力學(xué)性能的影響。上述研究都是將麻纖維或改性麻纖維和熱塑性淀粉直接混合，經(jīng)處理后制備成膜。這種方法雖然能提高淀粉基塑料膜的力學(xué)性能，但同時也存在一些問題，如麻纖維本身為親水性材料，易出現(xiàn)相分離現(xiàn)象；當加工溫度較高時，麻纖維易炭化；麻纖維需磨成粉狀，成本較高等。因此，需要尋找一種工藝簡便、成本較低，同時又能有效提高淀粉基塑料力學(xué)性能的方法。

本文采用熱壓復(fù)合的方法，將黃麻纖維網(wǎng)與淀粉基塑料膜(以下簡稱淀粉膜)通過高溫熱壓復(fù)合成膜。采用的淀粉膜由淀粉和低密度聚乙烯(LDPE)構(gòu)成，高溫下LDPE可熔融黏合，無需再添加其他物質(zhì)。此方法不僅可以提高淀粉膜的力學(xué)性能，還可保持淀粉膜的可降解性和低成本。近年來麻纖維應(yīng)用于地膜領(lǐng)域的研究較多，這種地膜在土地中有良好的降解性能[10]，同時具有增加土壤養(yǎng)分含量、降低土壤可溶性鹽含量[11]等優(yōu)點。

1 試驗部分

1.1 主要試驗材料及儀器設(shè)備

試驗所用黃麻纖維為麻紡廠落麻，其主要性能見表1。試驗所用淀粉膜的平均面密度為16 g/m2，由龍巖裕豐環(huán)保科技有限公司產(chǎn)生，主要成分為改性玉米淀粉和LDPE，其中改性玉米淀粉質(zhì)量分數(shù)為70%，LDPE質(zhì)量分數(shù)為30%。

表1 黃麻纖維的性能

試驗所用主要儀器設(shè)備：XQ-2型單纖維強伸儀，上海新纖儀器公司；Y171B型中段切斷器，常州市第二紡織機械廠；JN-B型精密扭力天平，上海良平儀器儀表有限公司；小型梳棉機，上海紡織工學(xué)院機械工廠；XLB型平板硫化機，上海齊才液壓機械有限公司；YG026MB-250型電子萬能強力儀，溫州市大榮紡織儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 黃麻纖維成網(wǎng)

先對黃麻纖維進行初步除雜，然后隨機選取一定質(zhì)量的黃麻纖維，將其均勻平鋪在小型梳棉機上，梳理得到不同面密度的均勻纖維網(wǎng)。將黃麻纖維網(wǎng)放置在溫度22 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕環(huán)境中平衡回潮48 h，備用。

1.2.2 麻增強型淀粉基復(fù)合膜的制備

將黃麻纖維網(wǎng)橫向放置在平板硫化機的熱壓區(qū)內(nèi)，將淀粉膜放置在黃麻纖維網(wǎng)上面，然后將另一塊同樣規(guī)格的黃麻纖維網(wǎng)縱向放置在淀粉膜上面，形成“夾心式”復(fù)合結(jié)構(gòu)。熱壓工藝設(shè)置不同的溫度、壓力和時間，制得麻增強型淀粉基復(fù)合膜(以下簡稱復(fù)合膜)。

1.2.3 斷裂強力測試

采用YG026MB-250型電子萬能強力儀，參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》測試復(fù)合膜樣品的斷裂強力。測試條件：預(yù)加張力2 N，拉伸速度100 mm/min，隔距200 mm，樣品寬度50 mm。

1.2.4 撕裂強力測試

采用YG026MB-250型電子萬能強力儀，參照GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3部分：梯形試樣撕破強力的測定》測試復(fù)合膜樣品的撕裂強力。測試條件：樣品長度150 mm，樣品寬度75 mm，隔距25 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.2.5 頂破強力測試

采用YG026MB-250型電子萬能強力儀，參照GB/T 24218.5—2016《紡織品 非織造布試驗方法 第5部分：耐機械穿透性的測定(鋼球頂破法)》測試復(fù)合膜樣品的頂破強力。測試條件：樣品直徑130 mm，鋼球頂桿移動速度300 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃麻纖維用量對復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

在熱壓溫度為120 ℃、熱壓壓力為6 MPa、熱壓時間為120 s時，黃麻纖維用量(即黃麻纖維相對淀粉膜的質(zhì)量分數(shù))分別選擇25.0%、87.5%、150.0%、212.5%、275.0%和337.5%，進行熱壓復(fù)合處理，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強力如圖1和圖2所示。

圖1 黃麻纖維用量對復(fù)合膜斷裂強力的影響

圖2 黃麻纖維用量對復(fù)合膜撕裂和頂破強力的影響

由圖1和圖2可以看出：隨著黃麻纖維用量的增加，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強力不斷增大；當黃麻纖維用量為87.5%～212.5%時，復(fù)合膜的各項強力增幅較大；當黃麻纖維用量小于87.5%和大于212.5%時，復(fù)合膜的各項強力增幅相對較小。在熱壓作用下，淀粉膜中LDPE的熔融可起到黏合作用，使得黃麻纖維網(wǎng)與淀粉膜復(fù)合在一起，黃麻纖維對復(fù)合膜起到增強作用。復(fù)合膜受到外力作用時，首先是黃麻纖維的伸展，以及LDPE分子鏈的拉伸和鍵長、鍵角的變化，隨后是黃麻纖維斷裂或者從基體中拔出。當黃麻纖維用量小于87.5%時，黃麻纖維較少，在復(fù)合膜中比較分散，淀粉膜的伸長大于麻纖維，復(fù)合膜會因LDPE的拉伸斷裂而先斷裂，故開始對復(fù)合膜的增強作用較弱。隨著黃麻纖維用量的逐漸增加，在受力方向上承受外力的黃麻纖維逐漸增多，使纖維斷裂和拔出所需要的力逐漸增大，復(fù)合膜的力學(xué)性能不斷提高。當黃麻纖維用量超過212.5%時，由于復(fù)合膜為“夾心式”結(jié)構(gòu)，熱壓過程中傳熱受到阻礙，黃麻纖維與淀粉膜之間的黏結(jié)性變差，因此影響了增強效果，復(fù)合膜的強力增速變緩。

雖然黃麻纖維用量越大，復(fù)合膜的力學(xué)性能越好，但當黃麻纖維用量大于212.5%時，其力學(xué)性能的增幅減緩，且黃麻纖維用量越大，復(fù)合膜的成本越高。綜合考慮成本及力學(xué)性能，黃麻纖維用量選擇相對淀粉膜的質(zhì)量分數(shù)為212.5%較適宜。

2.2 熱壓溫度對復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

當黃麻纖維用量為212.5%、熱壓壓力為6 MPa、熱壓時間為120 s時，熱壓溫度分別選擇110、115、120、125、130、135 ℃，將黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜熱壓復(fù)合，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強力如圖3和圖4所示。

圖3 熱壓溫度對復(fù)合膜斷裂強力的影響

圖4 熱壓溫度對復(fù)合膜撕裂和頂破強力的影響

由圖3和圖4可以看出：當熱壓溫度低于125 ℃時，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強力均隨著熱壓溫度的升高而增大，125 ℃時三者均達到最大值；之后，三者隨熱壓溫度的升高呈下降趨勢。熱壓溫度從110 ℃上升到125 ℃時，復(fù)合膜的力學(xué)性能提高幅度較大，這是因為隨著熱壓溫度的升高，淀粉膜中LDPE的軟化熔融變好，淀粉膜與黃麻纖維網(wǎng)的黏結(jié)更牢固，黃麻纖維的增強作用更明顯；當熱壓溫度進一步升高至135 ℃時，由于黃麻纖維是一種剛性較大的纖維素纖維，溫度過高會破壞黃麻纖維結(jié)構(gòu)，纖維受損而強力下降，其增強作用減弱，因此復(fù)合膜的力學(xué)性能下降。

由于125 ℃時復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強力與120 ℃時相差不大，從節(jié)約能源角度考慮，選擇熱壓溫度120 ℃較適宜。

2.3 熱壓時間對復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

當黃麻纖維用量為212.5%、熱壓溫度為120 ℃、熱壓壓力為6 MPa時，熱壓時間分別選擇30、60、90、120、150、180 s，將黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜熱壓復(fù)合，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強力如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以看出：當熱壓時間小于150 s時，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強力都隨時間的延長而增大；隨后，再增加時間，斷裂強力降低，而撕裂和頂破強力雖呈增加趨勢，但增幅較小。熱壓時間由30 s增加到150 s時，復(fù)合膜的力學(xué)性能提高。這是因為復(fù)合膜是通過淀粉膜中LDPE熔融黏結(jié)在一起的，淀粉膜與黃麻纖維網(wǎng)黏合需要一定時間，熱壓時間延長，LDPE的熔融和流動變好，淀粉膜和黃麻纖維的黏結(jié)更牢，從而強力得到不斷提高。當熱壓時間達到150 s后，LDPE已充分熔融，并在黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜黏結(jié)處分布均勻，黏結(jié)較好。繼續(xù)延長時間，復(fù)合膜在壓力作用下雖變得密實，但回彈性變差，因此復(fù)合膜的撕裂和頂破強力略微提高；斷裂強力下降可能是因為黃麻纖維長時間高溫熱壓，使部分纖維受損，膜中出現(xiàn)弱節(jié)，影響斷裂強力。

圖5 熱壓時間對復(fù)合膜斷裂強力的影響

圖6 熱壓時間對復(fù)合膜撕裂和頂破強力的影響

綜合上述分析，兼顧生產(chǎn)效率，熱壓時間選擇120 s較合適。

2.4 熱壓壓力對復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

當黃麻纖維用量為212.5%、熱壓溫度為120 ℃、熱壓時間為120 s時，熱壓壓力分別選擇2、4、6、8、10 MPa，將黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜熱壓復(fù)合，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強力如圖7和圖8所示。

圖7 熱壓壓力對復(fù)合膜斷裂強力的影響

圖8 熱壓壓力對撕裂和頂破強力的影響

由圖7和圖8可以看出：當熱壓壓力小于6 MPa時，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強力都隨著熱壓壓力的增大而增大；當熱壓壓力達到6 MPa時，三者均達到最大；之后，隨著熱壓壓力的增大，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強力呈下降趨勢。熱壓壓力小于6 MPa時，復(fù)合膜的力學(xué)性能隨熱壓壓力的增加而提高，這是因為熱壓壓力可促進熔融的LDPE流動，有利于熔融液滴在黃麻纖維間的擴散，更好地發(fā)揮其黏結(jié)作用。熱壓壓力越大，淀粉膜和黃麻纖維間的黏結(jié)越牢，從而復(fù)合膜的強力越高。當熱壓壓力由6 MPa增大到10 MPa時，復(fù)合膜的力學(xué)性能下降，這是因為壓力增大雖然有利于LDPE的流動擴散，但同時也會將黃麻纖維網(wǎng)壓緊，纖維間的縫隙變小，增加了熔融LDPE擴散浸透到黃麻纖維間的難度，不利于淀粉膜和黃麻纖維的黏合，致使復(fù)合膜力學(xué)性能下降。

綜上所述，熱壓壓力選擇6 MPa較合適。

3 結(jié)論

(1) 隨著黃麻纖維用量和熱壓時間的增加，復(fù)合膜的力學(xué)性能均呈上升趨勢；隨著熱壓溫度和熱壓壓力的增加，復(fù)合膜的力學(xué)性能呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢。

(2)通過單因素試驗得到制備麻增強型淀粉基復(fù)合膜的較佳工藝：黃麻纖維用量212.5%，熱壓溫度120 ℃，熱壓時間120 s，熱壓壓力6 MPa。在此條件下制得的復(fù)合膜斷裂強力為38.0 N，撕裂強力為2.0 N，頂破強力為15.8 N。