分析聚乳酸//麥秸稈纖維復合材料力學及吸水性能

張 瑾，王麗偉，王 川，盧碧蕓，王 偉

（安徽省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程研究所 安徽，合肥 230001）

近年來，由于填埋場回收率低、處理不得當?shù)仍颍斐闪松鷳B(tài)環(huán)境的污染，導致生活及農(nóng)藝中塑料使用量的增加被稱為“白色污染”。聚乳酸是近年來備受關(guān)注的一種環(huán)?？山到獠牧希錂C械性能高、塑性好、易加工成型等特點，目前已被廣泛應用于醫(yī)療、包裝、3D打印等行業(yè)。本文采用KH550 為基材，以WSF 和PLA 為原料，使用熔融手段制作了PLA/WSF復合材料，進而研究WSF在基體中的含量對復合材料各個方面的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗材料的準備

美國NatureWorks 公司PLA，3001；青島拓海碘制品有限公司，無水乙醇（PEG）；上海莼試生物技術(shù)有限公司KH550，CS-01；安徽省農(nóng)業(yè)科學試驗田，WSF，250μm。

1.2 實驗設備

粉碎機器：高速粉碎機搖擺式，無錫久平儀器有限公司；哈普流變儀：RM-200B 洛陽市譜瑞慷達耐熱測試設備有限公司；數(shù)顯式恒溫水浴鍋，常州市第一紡織設備有限公司；雙筒開煉機，東莞市眾誠精密儀器有限公司；微型計算機控制電子萬能級測試機，濟南恒思盛大儀器有限公司；簡支梁沖擊試驗機，承德市精密試驗機有限公司；熱壓機，青島永潤發(fā)機械科技有限公司；電子天平，F(xiàn)A1004，上海良平儀器儀表有限公司；壓片機，F(xiàn)W-4 弗爾德（上海）儀器設備有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），杭州譜鐳光電技術(shù)有限公司；掃描電子顯微鏡（SEM），北京歐波同光學技術(shù)有限公司。

1.3 復合材料的制備

在恒溫實驗室下把PLA 和WSF 用水浸泡，24 小時后再進行物理清洗，之后再放入烘箱內(nèi)進行干燥處理，12小時后，再用5%NaOH 配置KH550 偶聯(lián)劑噴灑在PAL 和WSF 表面，再次進行烘干，用粉碎機粉碎，挑選出200 到300g，在加入適量的醋酸進行中性處理，48小時后放入烘箱中進行處理，烘干時間為12 小時，溫度120℃。之后再把PAL 和WSF 分別制作5 個實驗樣品，其中一個為無添加物的純粹PAL/WSF 實驗樣品，其余的分別按照不同的比例進行制作（具體如表1），在熱壓機溫度為150℃，將混合產(chǎn)物破碎后放入預制好的模具中進行壓片，制成啞鈴狀。

表1 制作PAL//WSF復合材料組成比

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

采用FTIR法對WSF的溴化鉀壓片進行掃描分析，波數(shù)為8000～400cm，掃描次數(shù)為128 次；拉伸性能測試采用GB/T1447—2020；測試結(jié)果速率為4mm/s，抗沖擊速度為7mm/s，沖擊吸水速度為4mm/s；以上試驗均在室溫下進行，每次試驗均取均值7mm/s，吸水速度為4mm/s，在浸水前，先將試件干燥，然后將試件置于真空環(huán)境中進行SEM分析；切削試驗，以GB/T1462—2020為基準，在浸水環(huán)境中進行。

2 實驗結(jié)果

2.1 符合材料力學性能

用PLA/WSF 合成的復合材料的斷裂伸長率和WSF含量的多少有關(guān)，WSF 含量越多復合材料的斷裂伸長率越低，對于復合材料整體來說其作用還是很小的，主要是受到復合材料及其組成材料的脆性斷裂影響，由此可知WSF 對復合材料斷裂伸長率影響很小。其主要原因是：（1）聚乳酸基體本身也是脆性斷裂，斷裂伸長率非常低，尤其是3001 型聚乳酸基體在本次實驗中的應用較少。（2）WSF 與PLA 在哈克流變測試儀上共混，但在加熱時WSF會聚集在一起，容易產(chǎn)生應力集中和缺陷，使得機械性能較差。（3）WSF與PLA之間界面粘結(jié)不良的主要原因是PLA與WSF界面僅為機械粘結(jié)，基體與WSF的界面無化學粘結(jié)。（4）WSF 本身的斷裂伸長率較低，可能會影響到材料的斷裂伸長率。

2.2 復合材料斷面分析

界面是決定復合材料斷面的重要因素，他是基體和WSF的連接點，其結(jié)構(gòu)十分復雜，能影響復合材料的強度和斷裂拉伸力。在PAL/WSF 復合材料斷裂的SEM 圖片中，WSF 分布在PLA 基體中，但是界面較為明顯，對復合材料的力學性能造成一定程度的影響。一般情況下短纖維會破壞基體，因為短纖維能使基體變形從而使長纖維脫離基體，使纖維在基體中斷裂。通過上述實驗可知WSF 與 PLA 之間是弱界面粘結(jié)性，WSF 經(jīng)過 KH550 的處理有效地改善了PAL和WSF之間的界面相容性。

2.3 硅偶聯(lián)劑對WSF改性的紅外光譜分析

WSF 在3170～3430cm波段上有較寬的羥基伸縮振動峰；經(jīng)KH550 偶聯(lián)劑改性處理后，WSF 由于KH550 氨丙基團與WSF 中的羥基反應產(chǎn)生氫鍵而使WSF 的羥基強度下降，而在WSF 的 FTIR 處無KH550 特征峰，表明KH550 和 WSF 在 2890cm和 2967cm處無氨基生成，從而導致PAL 在WSF 的作用下，羥基伸縮振動峰減弱；PAL在WSF的作用下，在Si-OH的作用下，KH550成功地接枝于WSF。

2.4 復合材料的吸水性能

在WSF 含量為5%時，與未處理WSF 相比，偶聯(lián)劑KH550 改性后WSF 的吸水性能反而提高。這些能量來自WSF 的聚集現(xiàn)象，即WSF 與基質(zhì)的連接不夠緊密，使得水分子很容易進入材料內(nèi)部。與未處理的WSF相比，KH550 偶聯(lián)劑改性后WSF 的吸水率隨著WSF 加入量的增加而明顯下降，KH550 偶聯(lián)劑改性后WSF 的吸水率也明顯下降。以KH550 為偶聯(lián)劑改性WSF 可有效地改善WSF與PLA的界面相容性，使吸水性較強的WSF部分被疏水性較強的PLA包裹，使WSF與偶聯(lián)劑乙氧基水解后的Si-OH基團反應生成氫鍵，從而減少了WSF表面羥基與水形成氫鍵的機會，降低了復合材料的吸水率。

3 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，添加硅烷偶聯(lián)劑后對復合材料各方面屬性均有先升后降的趨勢，經(jīng)KH550改性后，表面羥基含量明顯降低，纖維表面極性下降，但WSF 與PLA 的界面相容性有所改善。