改性处理对聚乳酸／废旧报纸回收纤维复合材料性能的影响

李新功，郑霞，吴义强

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙410004）

改性处理对聚乳酸／废旧报纸回收纤维复合材料性能的影响

李新功，郑霞，吴义强＊

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙410004）

采用注射成型的方法制备了聚乳酸／废旧报纸回收纤维复合材料，探讨了马来酸酐接枝聚丙烯改性处理和1%的NaOH改性处理对复合材料性能的影响。结果表明，在复合材料中加入2%的马来酸酐接枝聚丙烯后，聚乳酸与废旧报纸回收纤维的相容性得到改善，复合材料的力学性能得到提高。废旧报纸回收纤维经1%的NaOH处理后，与聚乳酸的界面被优化，纤维的相对结晶度增大，二者的黏结性能得到改善，复合材料的力学性能也会得到提高。

废旧报纸；回收纤维；聚乳酸；改性；复合材料；力学性能

0 前言

近年来，随着人们环境意识的不断增强，利用植物纤维和可生物降解塑料制备可生物降解复合材料已经成为复合材料领域的研究热点［1］。报纸主要成分是天然植物纤维和少量油墨等。废旧报纸纤维回收工艺简单，费用低，利用废旧报纸回收纤维与可生物降解塑料制备力学性能优良、可生物降解的植物纤维增强聚合物复合材料前景广阔。但是，废旧报纸回收纤维与塑料界面相容性差，黏结力差［2］。另外，报纸中含有的油墨也可能会影响纤维与塑料的黏结性能。上述原因使得应力在复合材料界面不能有效地传递，导致复合材料的力学性能显著降低［3－5］。本文分别采用马来酸酐接枝聚丙烯（MAPP）、氢氧化钠（NaOH）对废旧报纸回收纤维进行改性处理，通过注射成型制备聚乳酸／废旧报纸回收纤维（PLA／NRF）复合材料，探讨了改性处理对复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA，注射成型级，深圳光华伟业实业公司；

MAPP，偶联剂，南京华都科技有限公司；

NRF，自制，制备方法如图1所示；

NaOH，化学纯，湖南汇虹试剂有限公司。

图1 废旧报纸纤维回收工艺Fig.1 NRF recycling process

1.2 主要设备及仪器

电子恒温干燥箱，101A－3，上海市实验仪器总厂；电子天平，JY，上海浦春计量仪器有限公司；

开放式混炼机，SK－160B，中国上海轻工机械股份有限公司；

注塑机，JPH80G，广东震雄塑料机器有限公司；扫描电子显微镜（SEM），QUANTA200，美国FEI公司；

X射线衍射仪（XRD），XD－2，北京普析通用仪器有限责任公司；

万能力学试验机，DCS－R－100，日本岛津公司。

1.3 样品制备

将PLA在电子恒温干燥箱中80℃下干燥8h，并与MAPP充分混合，随后送到开放式混炼机中与干燥后的NRF在160℃下混炼10min，得到片状混合物，再将片状混合物送到强力塑料粉碎机粉碎成颗粒；最后，将颗粒状混合物料用注塑机制成标准样条，机筒温度为155～160℃，注射压力为10MPa，保压时间为15s；

将NRF放入1%的NaOH水溶液中，浴比为1∶20，常温下浸泡48h，用滤网分离出NRF并用自来水反复冲洗至中性，在电子恒温干燥箱中70℃下干燥至质量恒定；随后送到开放式混炼机中与干燥后的PLA在160℃温度下混炼10min，得到片状混合物，其中PLA与NRF质量比为60∶40；再将片状混合物送到强力塑料粉碎机粉碎成颗粒；将颗粒状混合物料用注塑机制成标准样条，注射工艺同上。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸强度按照GB／T 1040.1—2006进行测试；冲击强度按照GB／T 13525—1992进行测试；复合材料的断面喷金后，采用扫描电子显微镜进行观察；

将碱处理前后的NRF通过粉碎机加工成75μm的粉末，并采用X射线衍射仪进行分析，CuKα靶（λ＝0.154nm），电压为40kV，电流为35mA，扫描速度为4（°）／min，NRF的相对结晶度可以根据Segal法计算，如式（1）所示。

式中 CrI——相对结晶度，%

I002——（002）晶格衍射角的极大强度

Iam——衍射角为18°时，非结晶背景衍射的散射强度［6－7］

2 结果与讨论

2.1 MAPP对复合材料力学性能的影响

纤维增强塑料复合材料的性能很大程度上取决于塑料和纤维的界面性能，只有形成良好的界面，应力才能有效地从塑料转移到纤维［8］。因此，良好的塑料与纤维界面黏结性能是提高复合材料力学性能的前提。从表1可以看出，与改性前相比，改性后复合材料的拉伸强度和冲击强度均显著增大，且拉伸强度和冲击强度均随MAPP用量的增加而增大，当MAPP用量超过2%（以NRF质量计，下同）时，复合料的拉伸强度和冲击强度基本不发生变化。因此，在实际应用中，改性剂MAPP的用量一般为2%比较合适。改性处理后复合材料力学性能得到改善的原因是MAPP能够改善NRF和PLA的界面相容性，改善了NRF在PLA中的分散性，有效地提高了NRF和PLA的界面黏结性能，允许破坏应力从PLA基体有效地传递给NRF，避免了界面区因NRF和PLA脱黏而失去强度，使复合材料的拉伸强度增大。同时，当材料遭受外力破坏时，可以消耗大量的能量，复合材料的冲击强度上升。

表1 MAPP改性复合材料的力学性能Tab.1 Mechanical properties of the composites modified with MAPP

纤维增强塑料复合材料中纤维是增强材料，而塑料是基体材料。复合材料的拉伸强度和冲击强度主要取决于纤维增强材料，而塑料也扮演着重要角色。由表2可看出，纯PLA的力学性能低于复合材料，且复合材料的拉伸强度及冲击强度均随NRF含量的增加呈先增加后减小的趋势。这是因为一定量的NRF在复合材料中可以有效地传递破坏应力，在复合材料中起到了很好的增强作用。但是，NRF含量太大时，由于没有足够的PLA包覆NRF，也就是基体材料不足，导致复合材料界面性能变差，力学性能下降。另外，NRF过量也增加了NRF结团的可能性，导致材料产生局部应力集中，较少的能量就可以产生拉伸裂纹扩展，从而影响复合材料的力学性能。可见，合适的NRF含量是40%。

表2 NRF含量对复合材料力学性能的影响Tab.2 Effect of NRF content on mechanical properties of the composites

2.2 碱液的处理效果

从图2可以看出，（101）和（002）晶面常用来反映纤维的结晶结构［9］，碱处理前后（101）和（002）晶面特征峰位置没有发生明显的变化，说明碱处理后纤维素结晶区未受到影响或受到的影响很小；但碱处理后峰的高度I101和I002增加，纤维相对结晶度增大，经计算碱处理后纤维的相对结晶度由原来的68.7%增加到了79.1%。这是因为NRF经碱处理后纤维非结晶区的半纤维素被部分抽提溶解，非结晶区微纤丝的羟基暴露出来并与结晶区表面微纤丝形成氢键，使非结晶区的微纤丝向结晶区靠拢并有序化排列，使纤维进一步细化。另外，碱处理后NRF中的果胶、低分子糖、表面的杂质及油墨等也被去除。从图3可以看出，碱处理前纤维表面杂质较多且相对光滑，而碱处理后纤维表面变得洁净、松散和有孔隙存在。

图2 NRF的XRD曲线Fig.2 XRD patterns for NRF

2.3 碱处理对复合材料力学性能的影响

从表3可以看出，碱处理后复合材料的力学性能得到了明显改善，复合材料的拉伸强度及冲击强度分别达到了66.1MPa和13.03kJ／m2，与碱处理前相比分别增加了14.5%和14.3%。纤维在复合材料中扮演增强材料的角色，碱处理后纤维的细化使其拉伸强度增大，因此，复合材料力学性能得到改善。另外，碱处理后纤维表面的杂质及油墨被去除掉，增大了纤维与PLA的界面黏结力；碱处理后纤维表面变得松散和

图3 NRF的SEM照片Fig.3 SEM micrographs for NRF

有孔隙存在，成型时在压力作用下PLA熔体易渗入纤维中，在纤维和PLA界面处形成“胶钉”，提高了界面机械啮合作用。

从图4可以看出，碱处理后复合材料的拉伸断面基本上没有因受外力拉伸产生纤维从基体拉脱时留下的孔洞，拉伸断面上纤维断面清晰可见，且纤维表面被PLA包覆；碱处理前拉伸断面存在因受外力拉伸产生纤维从基体拉脱时留下的光滑孔洞，且纤维表面干净，基本没有被PLA包覆，说明碱处理前纤维与PLA的界面黏结性能差。

表3 碱处理后复合材料的力学性能Tab.3 Mechanical properties of the composites treated with NaOH

图4 复合材料拉伸断面的SEM照片Fig.4 SEM micrographs for tensile fracture surface of the composites

3 结论

（1）MAPP作为改性剂可以改善NRF与PLA基体的相容性，能够有效提高复合材料的力学性能，MAPP的适宜用量为2%；

（2）碱处理对NRF的表面起到了净化和脱墨作用，表面变得粗糙并出现了孔洞，且与PLA的界面相容性得到了改善，同时纤维的相对结晶度有所增加；

（3）复合改性处理后，复合材料的拉伸强度和冲击强度分别比处理前平均提高了14.5%和14.3%。

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Effect of Modification Treated Waste Newspaper Recycling Fibers on Properties of Fibre Reinforced Poly（lactic acid）Composites

LI Xingong，ZHENG Xia，WU Yiqiang＊

（College of Materials Science ＆Engineering，Central South University of Forestry ＆Technology，Changsha 410004，China）

The composites of waste newspaper recycled fiber（NRF）and poly（lactic acid）（PLA）were prepared via injection molding technology，and were further modified with MAPP or NaOH.It showed that，addition of 2%MAPP improved the compatibility of PLA and NRF，and mechanical properties of the composites were enhanced.After NRF was treated with 1%NaOH，crystallinity of NRF increased，surface bonding between NRF and PLA was improved，also resulted in the increase of mechanical properties of the composites.

waste newspaper；recycled fiber；poly（lactic acid）；modification；composite；mechanical property

TQ321

B

1001－9278（2012）03－0075－04

2011－08－26

国家林业局948项目资助（2009－4－51）

＊联系人，ls2000813＠163.com

（本文编辑：李 莹）