三种竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的物理力学性能及相容性研究

2017-07-03王洪艳袁少飞

山东林业科技 2017年6期

王洪艳，李琴，袁少飞，张建

（浙江省林业科学研究院浙江省竹类研究重点实验室，浙江杭州310023）

随着资源危机和环境问题的日益严峻，可降解塑料特别是生物可降解塑料受到人们的关注并成为研究热点[1-4]。在众多的可降解塑料中，被称为“玉米塑料”[5-6]的聚乳酸（PLA）以其优良的生物相容性和降解性在行业中脱颖而出。聚乳酸（PLA）是从玉米淀粉经生物发酵产生乳酸后经过化学提取而制备，其具有优异的力学性能（较高的强度）及良好的加工性能（可挤出、吹塑和注塑成型等），在倡导绿色环境和可持续发展的今天，聚乳酸（PLA）必将受到更多的重视[7-10]。与普通塑料（如PP、PE）相比，聚乳酸（PLA）最大缺点就是价格高，为降低聚乳酸（PLA）成本，本文采用价格较低的竹粉和聚乳酸（PLA）混合制备竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料，研究了不同目数的竹粉及马兰酸酐接枝前后竹粉对竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的物理力学性能及相容性的影响。

1 材料和方法

1.1 试验材料

竹粉：40目和100目，购于安吉明珠竹粉厂；聚乳酸（PLA）：型号 2003D，美国 Nature Works公司生产。

1.2 试验仪器和设备

真空干燥箱：DZF-6050型，上海齐欣科学仪器有限公司；高速混料机：张家港白熊机械有限公司生产的100L高速混料机；双螺杆挤出机挤出机：SWMSZ-P1破碎造粒设备，南京赛旺科技发展有限公司生产；注塑机：HTF90W1-A注塑机，宁波海天塑机集团有限公司生产；万能制样机：HY-W型，承德大华试验机有限公司生产；万能材料试验机：In-stron5567型，美国Ins tron公司生产；组合式冲击试验机：XJ-50Z型，承德大华试验机有限公司生产；电子扫描显微镜（SEM）:日立S-3400N，日本日立公司生产。

1.3 试验方法

1.3.1 竹粉的前处理

干燥：将40目和100目的竹粉的竹粉在103℃下干燥24小时，备用。

马来酸酐接枝处理：将干燥后的40目的竹粉在5%马来酸酐—丙酮溶液中充分浸润后分散，然后再103℃下干燥后备用。

1.3.2 竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的制备

将聚乳酸（PLA）在60℃真空干燥24小时候备用。

将干燥后的聚乳酸（PLA）、竹粉一定比例的在高速混料机中，并添加适量的环氧大豆油，滑石粉等辅料进行共混，共混时先低速搅拌约5分钟，然后高速搅拌约10分钟，最后低速搅拌约5分钟后放料。

将共混后的混合料，用双螺杆挤出机进行拉条造粒，机筒温度170～180℃，机头温度165℃，主机转速约11rmb，喂料转速约15rmb。

1.3.3 样条的注塑成型

将竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料颗粒放入海天注塑机，并按照美标标准模具进行样条的注塑，其中注塑温度170～190℃。

1.3.4 物理力学性能测试

按照ASTMD638标准测试材料的拉伸强度及弹性模量，拉伸速度为5mm/min；按照ASTMD790标准测试拉伸强度及弯曲模量，压缩速度为2mm/min；按照ASTMD256标准测试悬臂梁缺口冲击强度。

1.3.5 竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料流动性能测试

按照ASTMD1238标准测试竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料流动性能，测试温度190℃，负载2.16KG。

1.3.6 表面形态测试

将竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料颗粒经真空喷金后，在电子扫描显微镜（SEM）下观察颗粒表面形态及竹粉、聚乳酸的相容情况。

2 结果与分析

2.1 竹粉颗粒大小及接枝前后对竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料物理力性能影响

40目竹粉、100目竹粉及马来酸酐接枝处理对竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料物理力性能影响见下表1。

表1 三种竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料物理力性能Tab.1 The mechanical properties of three kinds of bamboo-Polylactic acid composite materials

表1看到，采用40目竹粉制成的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的拉伸强度为19.3MPa，弯曲强度为41.3MPa；采用100目竹粉制成的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的拉伸强度为24.2MPa，提高了25.4%，弯曲强度为43.9MPa，提高了6.3%，说明竹粉目数增大，竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的物理性能增加，这可能是因为竹粉目数增大，竹粒径变小，竹粉和聚乳酸（PLA）在共融时时相容性更好，结合的更加紧密导致。经马来酸酐接枝的40目竹粉和聚乳酸（PLA）制成的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料拉伸强度为24.2MPa，弯曲强度为 42MPa，和 40目竹粉相比，拉伸强度提高了25.4%，弯曲强度变化不大，仅提高了1.7%。马来酸酐作为偶联剂，相关研究表明[11]马来酸酐作为偶联剂具有较好的表面反应活性，一部分基团可与竹粉中的-OH发生酯化反应，消弱竹粉表面的极性，同时另一部基团可与聚乳酸（PLA）发生化学反应或物理缠绕，从而能将竹粉和聚乳酸（PLA）这两种极性差别较大的材料结合在一起，经马来酸酐接枝的竹粉与聚乳酸（PLA）共混融熔时增加了复合材料的相容性，因此竹粉和聚乳酸（PLA）复合材料的物理力学性能提高。

2.2 竹粉颗粒大小及接枝前后对竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料流动性能影响

190℃时竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料流动性能见下表2。

表2 三种竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的流动性能Tab.2 The liquidity of three kinds of bamboo-Polylactic acid composite materials

流动性一般指的是流体即材料在加工时熔融状态下的流动性。流动性差的话，加工出来塑料制品的形状不规则，加工设备内部压力过大，生产连续性差，且工作效率低。表2看到，采用40目竹粉和聚乳酸（PLA）制成的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料在190℃，10min的流动质量在3.4g，而采用100目的竹粉制得的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的流动质量为5.9g，提高了73.5%；采用马来酸酐接枝的40目的竹粉制得的复合材料的流动质量为5.5g，提高了61.8%，流动质提高，复合材料的流动性明显增强，有益于后期竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的生产加工。

流动性的结果说明采用高目数的竹粉和采用经马来酸酐接枝后的竹粉对竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料的流动性有积极的促进作用，这也可能是由于竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料中竹粉和聚乳酸的相容性得到明显改善所至。

2.3 竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料颗粒表面形态研究

竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料颗粒表面形态的扫描电镜分析见下图1

图1 竹粉-聚乳酸（PLA）复合材料颗粒表面形态的扫描电镜图Fig.1 The SEM photographs of three kinds of bamboo-Polylactic acid composite materials

图1 看到，40目的竹粉—聚乳酸（PLA）复合体系中，竹粉颗粒比较明显，紧密度也比较差，而且断面也粗糙不平，说明采用40目的竹粉制得的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料中，竹粉和聚乳酸相容性比较差；100目的竹粉—聚乳酸（PLA）和马来酸酐接枝后的竹粉—聚乳酸（PLA）复合体系中，看不到竹粉颗粒的存在，同时断面较为光滑，复合材料中竹粉在聚乳酸（PLA）中的紧密型也比较好，说明二者的相容性较好。扫描电镜的结果也证实了2.1和2.2中的推断，即采用100目的竹粉、经马来酸酐接枝后的竹粉所制得的竹粉—聚乳酸（PLA）复合材料，材料的相容性得到明显提高。