稻壳/淀粉复合材料的力学性能分析

汪俊等

摘 要 为研究环境友好材料，采用热压成型方法制备稻壳/淀粉复合材料。探讨了稻壳粉填充量和硅烷偶联剂用量对复合材料力学性能的影响。结果显示：稻壳粉填充量为90%时复合材料的力学性能较高，复合材料的拉伸强度、弯曲强度随稻壳添加量的减少而明显下降，冲击强度随稻壳添加量的减少先下降后上升；添加适量的偶联剂可以改善复合材料界面相容性，且偶联剂含量为6%时复合材料的力学性能较好。

关键词 稻壳/淀粉复合材料；力学性能；偶联剂

中图分类号：B332 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）21--02

采用稻壳等植物纤维和淀粉制备的复合材料，具有其他复合材料无法比拟的质轻价廉、易加工、可再生和可生物降解等优点[1-3]。虽然国内外学者对稻壳粉制备复合材料已作了大量研究，但其中采用的高分子聚合物[4-7]为原料大都为不可降解的原料（如PVA、EVA等）[8]。

节能和环保是当今世界紧迫要求。笔者以稻壳和淀粉为原料，采用热压成型方法制备稻壳/淀粉复合材料，探讨稻壳粉填充量和硅烷偶联剂用量对复合材料拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲弹性模量以及冲击强度的影响。

1 材料与方法

1.1 主要原料

稻壳，粉末状，自制；淀粉，食用淀粉，南京甘汁园糖业食品公司；硅烷偶联剂，KH550

南京化学试剂有限公司。

1.2 试样制备

选取相应比例淀粉和稻壳粉，混合后放在搅拌机中充分搅拌10 min后取出，烘干，依照模具规格称取相应质量，填入模具中，在模压温度145 ℃，模压时间10 min，模压压力12 Mpa的条件下热压成型，成型结束后需等待冷却（模具至常温）后脱模，取出样品。

1.3 测试方法

力学性能：分别按GB/T1040-1992、GB/T17657-1999用CSS-44100电子万能试验机测定聚丙烯复合材料拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量。按GB/T 1451-83用XJJ-5型简支梁冲击试验机上测定稻壳淀粉复合材料冲击强度，每个试验重复3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 稻壳粉含量对复合材料力学性能的影响

由图1可知，稻壳粉填充量为90%时，复合材料力学性能较好。而随着稻壳粉填充量的减小，力学性能下降，可能是稻壳粉纤维作为整个复合材料的骨架起到支撑和增强的作用。当稻壳粉含量高时，淀粉与稻壳粉之间相容性较好，表现为复合材料有较好的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲弹性模量。而随着稻壳粉含量减少淀粉含量增加，两者粘合性减弱，导致复合材料拉伸和弯曲性能下降。复合材料的冲击强度随淀粉含量的增加，先减小后增加，其原因可能是淀粉团聚体中淀粉分子链段之间的氢键作用，材料的抗冲击性能反而好。

a.拉伸强度和拉伸模量

b.弯曲强度和弯曲弹性模量

c.冲击强度

图1 不同稻壳粉填充量的稻壳/淀粉复合材料的力学性能

2.2 偶联剂KH550含量对复合材料力学性能的影响

a.拉伸强度和拉伸模量

b.弯曲强度和弯曲弹性模量

c.冲击强度

图2 KH550含量对复合材料力学性能的影响

由图2中可以看出，偶联剂KH550含量增加后复合材料各项力学指标均有不同程度的提高。其中，KH550含量为6%的复合材料拉伸强度极显著高于其他填充量的复合材料（P<0.01）；KH550含量为6%的复合材料弯曲强度极显著高于其他填充量的复合材料（P<0.01）；KH550含量为4%的复合材料冲击强度极显著高于没有添加偶联剂的复合材料。

硅烷偶联剂用量在一定范围内，复合材料的力学性能随硅烷偶联剂用量的增加而增强，主要原因在于硅烷偶联剂与稻壳粉表面羟基发生化学反应。同时，稻壳粉经表面改性后，其表面的亲水性-OH基团数减少，淀粉与稻壳粉表面之间有更强的表面键合，提高了稻壳粉与淀粉的相容性及其在淀粉中的分散性，所以复合材料的界面结合能力得到改善的同时，也增加了复合材料的脆性，所以使得复合材料的冲击强度有所下降。

3 结论

随着稻壳粉含量的减少，稻壳/淀粉复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲弹性模量下降，稻壳粉含量为90%时，综合力学性能较好；硅烷偶联剂能提高稻壳/淀粉复合材料的力学性能，当偶联剂含量为6%时，复合材料的综合力学性能较好。

参考文献

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[2]刘军军，何春霞，于旻.稻秸/淀粉胶复合材料性能研究[J].林产工业，2012，39（1）：22-25.

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[8]李弘.合成高分子聚合物生物降解研究进展[J].功能材料，2004，35（1）：106-110.

（责任编辑：赵中正）