光老化時間對旱柳枝椏材纖維/聚乳酸復(fù)合材料性能的影響

劉一楠 劉珊杉 王春明

摘要：? 采用自然光對比不同纖維含量木纖維/聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行光照老化試驗(yàn)，對比經(jīng)過不同時間光照后材料的彎曲性能以及拉伸性能的變化，分析光照時間對材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，加入木纖維后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均出現(xiàn)了先下降后上升的趨勢，說明加入一定量的木纖維會對復(fù)合材料體系起到一定的增強(qiáng)作用;在受到一定時間的自然光照射后，純聚乳酸材料和木纖維/聚乳酸材料的彎曲性能和拉伸性能均有顯著降低，含有木纖維的復(fù)合材料強(qiáng)度降低較少。

關(guān)鍵詞：? 聚乳酸;? 枝椏材;? 木纖維;? 光照老化;? 力學(xué)性能

中圖分類號：? ?S 781. 21， TS 653. 5? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2019）03 - 0001 - 04

聚乳酸是一種由植物淀粉及纖維素中的糖經(jīng)過生物發(fā)酵，最終聚合而成的可完全降解的高分子材料[ 1 ]，其擁有較好的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在戶外環(huán)境可以被微生物完全降解，是一種環(huán)境友好型材料，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林行業(yè)、包裝行業(yè)以及醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)[ 2 ]。在聚乳酸材料中加入木纖維，制備木纖維/聚乳酸復(fù)合材料，不但能降低聚乳酸的原料成本，同時也能保證其良好力學(xué)性能，加入的木纖維也屬于天然材料不會對環(huán)境造成污染[ 3 ]。聚乳酸作為一種可降解材料，其材料在使用過程中的降解現(xiàn)象會極大地影響其性能以及應(yīng)用途徑。

目前，對聚乳酸降解的研究主要集中在兩個方面：一是聚乳酸的微生物降解方向[ 4 - 6 ]，主要用于農(nóng)林行業(yè)產(chǎn)品在戶外使用時材料的降解行為的研究。二是聚乳酸的酶降解方向[ 7 - 9 ]，主要用于醫(yī)療用品行業(yè)。然而，由于聚乳酸是一種可降解的高分子材料，在室外環(huán)境下使用時難免受到陽光中紫外線的照射而產(chǎn)生相應(yīng)的降解作用。降解作用會在一定程度上改變材料的強(qiáng)度、顏色等性能，因此，在制備室外環(huán)境下使用的產(chǎn)品時需要考察紫外線作用對其產(chǎn)生的影響。

本研究采用注塑成型工藝，制備出不同木纖維含量的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料，通過對比不同室外光照條件下復(fù)合材料的性能變化，得出日照時間對木纖維/聚乳酸復(fù)合材料彎曲性能、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：林區(qū)旱柳（Salix matsudana Koidz）枝椏材，粉碎后使用，粉碎規(guī)格40～80目， 望奎縣燈塔鄉(xiāng)東華花木經(jīng)銷處購進(jìn)。

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

試驗(yàn)儀器：電熱式鼓風(fēng)恒溫干燥箱，DHG-

9625A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;高速混合機(jī)，SHR-10A，張家港市通河橡膠機(jī)械有限公司;雙螺桿擠出機(jī)，SJSH30，南京橡塑機(jī)械廠;注塑機(jī)，JPH80，順德市秦川恒利塑機(jī)有限公司;電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，RGT-20A，深圳瑞格爾儀器有限公司。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備

將旱柳枝椏材纖維放置在溫度為103 ℃的烘箱中烘干12 h以上，直至含水率≤3%。按表1中的原料配比將木纖維與聚乳酸進(jìn)行稱重，并放入高速混料機(jī)，先進(jìn)行低速混合5 min后再高速混合5 min。將充分混合后的原料放入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融混合，然后將擠出的復(fù)合材料放入粉碎機(jī)中造粒備用。

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;將部分試件裁切成符合GBT_1449 2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》中彎曲性能測試要求的試件尺寸。將制備好的復(fù)合材料試件分為相同數(shù)量的4個部分置于光線充足的干燥環(huán)境中進(jìn)行自然光線的照射，時間分別為：不接受光照、光照時間6個月和光照時間12個月。將光照完成試件在同一時期進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1. 2. 2 性能測試

參照GBT_1449 2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》、GBT_1447《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》對復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試。不同原料配比在每種光照時間條件下放置8個試樣，測試結(jié)果求得平均值（表2）。

2 結(jié)果與分析

2. 1 光照時間對復(fù)合材料彎曲性能的影響

不同木纖維含量的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料，隨著所受自然光照時間的增加，材料的靜曲強(qiáng)度都會出現(xiàn)顯著的下降（表2）。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，不同光照時間對木纖維/聚乳酸靜曲強(qiáng)度的影響為：未加入木纖維的純聚乳酸試樣，經(jīng)過12個月的時間光照后，其材料的彎曲性能下降最為顯著。原因分析：對具有相同分子構(gòu)型的聚乳酸材料來說，影響其力學(xué)性能的主要因素是材料的分子量和結(jié)晶度。聚乳酸分子經(jīng)過長期光照會使其大分子鏈產(chǎn)生斷鏈，加速降解過程，使分子量減小、結(jié)晶度降低，力學(xué)強(qiáng)度也隨之下降;在聚乳酸中加入木纖維制備成復(fù)合材料冷卻成型的過程中，聚乳酸還會以木纖維為結(jié)晶點(diǎn)生成結(jié)晶[ 10 ]。因此，木纖維在一定程度上保護(hù)了聚乳酸分子鏈的連續(xù)性，同時也減少了光照對分子鏈的破壞作用。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，加入木纖維的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料在經(jīng)過長時間光照后，其彎曲強(qiáng)度的下降要明顯少于純聚乳酸試件。在復(fù)合材料中加入的木纖維含量越高，光照后材料彎曲強(qiáng)度下降的就越少。

圖2 顯示，不同光照時間對木纖維/聚乳酸復(fù)合材料彎曲彈性模量的影響為：添加木纖維的材料其彎曲彈性模量都顯著提高，這是由于木纖維作為一種高定向性的天然高分子材料，具有較高的剛性，因此木纖維的加入能夠增加復(fù)合材料整體的剛性。

在經(jīng)過不同時間的光照后，無論純聚乳酸材料還是加入了木纖維的復(fù)合材料，其彎曲模量都會隨著光照時間的增加而降低。這是由于當(dāng)光照使聚乳酸分子鏈發(fā)生斷裂后，分子鏈之間的連接更弱，活動范圍更大，材料剛性降低。在木纖維/聚乳酸復(fù)合體系中，光照會使部分木纖維與聚乳酸的結(jié)合失效、產(chǎn)生空隙，造成材料整體的剛性下降。

2. 2 光照時間對復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖3顯示，不同光照時間使木纖維/聚乳酸材料的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生變化。與彎曲強(qiáng)度所顯示的趨勢相似，加入木纖維的聚乳酸/木纖維復(fù)合材料體系的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)了先降低后提高的趨勢，這是由于純聚乳酸材料本身體系的連續(xù)性和結(jié)晶特性使得其拉伸強(qiáng)度較大，而加入少量木纖維后體系的連續(xù)性被破壞;但是加入的纖維較少，未能起到足夠的增強(qiáng)作用，因此材料拉伸性能會有所降低。當(dāng)加入的木纖維含量增加后，木纖維的增強(qiáng)作用得以體現(xiàn)，整體材料的拉伸強(qiáng)度又有所提高。

光照作用對純聚乳酸材料的作用效果最為明顯，光照時間越長，分子鏈斷裂變短的現(xiàn)象越多，材料整體的拉伸性能也越低。這是因?yàn)楣庹諘铀倬廴樗岱肿渔湹臄嗔?，使原本大的分子鏈變短，變短后的分子鏈之間的結(jié)合力也相應(yīng)減弱，在受到拉伸外力的作用下更容易產(chǎn)生斷裂。加入木纖維后，復(fù)合材料體系同樣會受到光照作用的影響，但由于木材纖維的分子鏈相對穩(wěn)定并且抗光老化能力較強(qiáng)，因此材料整體的耐老化效果增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度也有所提高。

隨著木纖維的加入，木纖維/聚乳酸復(fù)合材料體系的拉伸形變減小，拉伸模量提高（圖4）。這是由于相比聚乳酸分子鏈，加入的木纖維分子鏈平行纖維方向的拉伸強(qiáng)度更高而彈性更小，可伸長率也更低，因此整體拉伸模量更高。在經(jīng)過長時間的光照后，木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的拉伸模量也大幅降低，造成此種現(xiàn)象的原因同樣是由于聚乳酸分子鏈斷鏈、木纖維與聚乳酸結(jié)合減弱等因素共同作用的結(jié)果。

3 結(jié) 論

當(dāng)在室外環(huán)境使用復(fù)合材料時，聚乳酸材料的大分子鏈會受到自然光的作用而產(chǎn)生一定的降解和斷鏈，這對聚乳酸材料的性能會產(chǎn)生較大的影響。本研究采用在聚乳酸中加入木纖維的方法，制成了木纖維/聚乳酸木塑復(fù)合材料，并研究了不同木纖維含量復(fù)合材料受到光照作用后力學(xué)性能的變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著木纖維的加入，復(fù)合材料的彎曲性能和拉伸性能均呈現(xiàn)先降低、后提高的趨勢，說明少量木纖維的加入，會降低材料體系的連續(xù)性，但是一定量的木纖維的加入，會對材料的整體性能起到增強(qiáng)作用。隨著光照時間的延長，純聚乳酸與木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均有較大降低，但含有木纖維復(fù)合材料的性能降低幅度較小，說明木纖維的加入能夠減小自然光對復(fù)合材料性能的破壞作用。

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第1作者簡介：? 劉一楠（1983-），? 男，? 博士，? 助理研究員，? 研究方向：? 生物質(zhì)復(fù)合材料及可降解材料。

收稿日期： 2019 - 03 - 29

（責(zé)任編輯：? ?潘啟英）