木纤维尺寸对聚乳酸木纤维复合材料性能的影响*

吴蕴忱 刘珊杉 刘巍岩

（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨 150081）

木纤维尺寸对聚乳酸木纤维复合材料性能的影响*

吴蕴忱 刘珊杉 刘巍岩

（黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨 150081）

采用3种长径比的杨木纤维作为原料，与聚乳酸复合制成木纤维/聚乳酸复合材料。通过对比3种复合材料的静曲强度、弹性模量、拉伸强度和冲击强度发现，含有中等尺寸木纤维复合材料的综合物理力学性能较高，而含有较小尺寸木纤维复合材料的拉伸强度较高，含有较大尺寸木纤维的样品综合性能较差。研究结果表明,纤维的分散性、体系的均匀性以及界面结合度对复合材料的各项物理力学性能影响最大，而木纤维的尺寸很大程度上决定了其分散性和界面结合面积，因此，添加适当尺寸的木材纤维能够对木纤维/聚乳酸复合材料的力学性能产生相应的增强效果。

木材纤维；聚乳酸；复合材料；力学性能；纤维尺寸

随着温室效应、白色垃圾等环境问题的日益突出，国际社会及相关组织已经意识到可再生资源和环保型材料才是今后发展的主要方向。作为一种高性能热塑性高分子材料，聚乳酸具有可降解、原料可再生等优点，近年来得到了广泛的关注[1-3]。相关学者也对这种新型材料的改性和增强进行了大量研究[4-6]，研究指出，将植物纤维尤其是木材纤维加入到聚乳酸中，不但能够改变其性能，还可以大大降低材料成本并有助于聚乳酸材料的推广和普及[7-8]；研究还发现，加入木纤维后，木纤维/聚乳酸复合材料的弹性模量相比纯聚乳酸材料有所增加[9]，说明木纤维的加入能够有效增加复合材料的刚度；然而加入纤维的尺寸对复合材料性能的影响至今还未得到全面具体的结论。本研究选取3种形态差异较大的杨木纤维，按一定配比与聚乳酸复合制成板材，并对复合材料的静曲强度、弹性模量、拉伸强度和冲击强度等性能进行测试，期望通过对比和分析找到杨木纤维尺寸与复合材料性能之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器

木材纤维：杨木纤维，含水率≤3%，将木纤维筛分成3种不同的尺寸（表1）；聚乳酸：美国Nature Works公司出品的2003D型聚乳酸粒料。

表1 木材纤维的尺寸及长径比

试验仪器有：电热式鼓风恒温干燥箱，DHG-9625A，上海一恒科学仪器有限公司；高速混合机，SHR-10A，张家港市通河橡胶机械有限公司；双螺杆挤出机，SJSH30，南京橡塑机械厂；电热式压力成型机，SL-6，哈尔滨特种塑料制品有限公司；电子万能力学试验机，RGT－20A，深圳瑞格尔仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 木纤维/聚乳酸复合材料的制备

将木粉放在温度为103℃烘箱中干燥8 h以上，直至木纤维含水率≤3%。使用60和100目的筛网，将干燥好的木纤维筛分成不同尺寸的3种纤维，密封后备用。在保证复合材料性能的前提下，确定木纤维与聚乳酸质量比为6∶4[10-11]。将木纤维和聚乳酸按比例加入高速混合机，低速混合5 min后再高速混合5 min，然后将混合好的原料加入双螺杆挤出机进行进一步的熔融混合、挤出造粒。将木纤维与聚乳酸熔融复合制成的粒料，均匀铺于200 mm×200 mm×5 mm的钢制成型框中，放入热压机；在不加压的条件下对原料进行预热，预热温度180℃，预热时间3 min；在180℃、2.5 MPa的条件下对原料预压3 min，然后对原料继续加压至10MPa并保持3 min；最后将熔融状态的板材迅速取出并放入冷压机冷压成型，待原料接近室温时将其取出备用。不同木纤维尺寸复合材料组成见表2。

表2 不同尺寸木纤维复合材料

1.2.2 性能测试

参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[12]对复合材料的静曲强度、弹性模量、拉伸强度和冲击强度进行测试。每种试件配方压制板材5块，每项性能测试在每块板材上取1块试样，测试结果取平均值。

2 结果与分析

不同木材纤维尺寸复合材料的力学性能试验结果见表3。

表3 不同尺寸木材纤维复合材料的力学性能

2.1 弯曲性能

图1为不同尺寸木材纤维复合材料的静曲强度，从图中可以发现，3种复合材料的静曲强度相差不大。现有研究结论已证实，聚乳酸分子之间为刚性连接[11]，在木纤维/聚乳酸复合材料体系中聚乳酸的含量对复合材料整体的静曲强度起主要的影响作用，因此在聚乳酸含量不变的情况下，复合材料的静曲强度不会有太大差异[14]。3种样品中，WP2即含有中等尺寸木纤维的复合材料其静曲强度要略大于其他两种，WP3的强度最低，这是由于WP3中所含木纤维的尺寸过大，影响了聚乳酸和木纤维体系的均匀性，同时也对聚乳酸结晶过程起到了一定的阻碍作用。

图1 不同尺寸木材纤维复合材料的静曲强度

图2为不同尺寸木材纤维复合材料的弹性模量。3种复合材料的弹性模量差异较大，其中含有中等尺寸木纤维复合材料的弹性模量最大为5 286 MPa，而含有较小尺寸木纤维的WP2复合材料弹性模量最低，为3 755 MPa。与静曲强度不同，材料的弹性模量在很大程度上受到复合材料中木纤维尺寸的影响，纤维的长径比和体系的均匀度对材料的性能起主导作用。含有小尺寸木纤维的WP1复合材料样品虽然体系分散性和均匀度较好，但是纤维长径比较小，整体弹性模量也偏小；而含有较大尺寸木纤维的WP3复合材料样品虽然纤维长径比较大，但是体系分散度和均匀性较差，导致整体性能不高。尺寸适中的木纤维既有一定的长径比又能够具有良好的分散性，因此能够使复合材料的弹性模量得到很好的增强。

图2 不同尺寸木材纤维复合材料的弹性模量

2.2 拉伸性能

不同尺寸木材纤维复合材料拉伸强度试验结果（图3）表明，随着加入纤维尺寸的增加，材料的拉伸性能下降迅速，3种复合材料中含有中等尺寸的WP2样品其拉伸强度最高，而含有较小尺寸木纤维的WP1复合材料样品拉伸性能最大。在复合材料体系中，不同材料界面间的结合与体系中不同相间的分散均匀性对材料的拉伸性能影响较大；材料界面结合性越好，体系分散越均匀，材料的拉伸性能就越强。本研究中，相同质量的木纤维中尺寸较小的木纤维拥有最大的比表面积，与聚乳酸分子的界面结合更加充分，同时分散性也最均匀，因此相比较其他两种样品，WP1复合材料的拉伸性能最强；含有中等尺寸纤维的样品分散性较好，但是比表面积小于WP1，故其拉伸强度也略低；而WP3中的大尺寸木纤维能够与聚乳酸分子接触的界面十分有限，纤维在体系中的分散性也较差，因此拉伸性能最差。

图3 不同尺寸木材纤维复合材料的拉伸强度

2.3 冲击强度

不同尺寸木材纤维复合材料的抗冲击强度试验结果（图4）表明，对于尺寸较大的木纤维，其纤维内部拥有较多的空隙和较完整的纤维结构，能够更多地吸收冲击能量。然而在本研究中，大尺寸的木材纤维经过挤出和热压两个高温高压的加工过程后，其内部的空隙已经被压缩得很小，难以吸收较多的冲击能量；同时由于其分散性较差，使得体系中存在较多的力学薄弱点，容易造成应力集中而易使材料产生破坏，因此，WP3复合材料的冲击性能要小于其他两种样品。

图4 不同尺寸木材纤维复合材料的冲击强度强度

3 结论

3.1 木纤维/聚乳酸复合材料体系中，木纤维的分散性和均匀性对于材料的各项性能均有显著的影响，分散性和均匀性越好，复合材料的力学性能越高。

3.2 木材纤维的尺寸在很大程度上决定了其在体系内的分散性和均匀性，纤维尺寸越大，越难于分散均匀，纤维尺寸越小则分散性越好。

3.3 木材纤维本身具有较高的强度，因此在保证其体系均匀性的前提下，较大的纤维能够使复合材料的力学性能更强。

3.4 在本研究中，含有中等尺寸木纤维的WP2木纤维/聚乳酸复合材料的综合性能表现较优。

［1］Vink E T H，Davies S.Life Cycle Inventory and Impact Assessment Data for 2014 IngeoRPolylactide Production［J］. Industrial Biotechnology，2015，11（3）：167-180.

［2］Mohanty AK，Misra M，Hinrichsen G.Biofibres,biodegradable polymers and biocomposites：An overview［J］.Macromolecular Materials and Engineering，2000，1-24：276-277.

［3］陈强，刘灵勇，周光雁.碳纤维布加固钢筋混凝土梁的力学性能试验［J］.森林工程，2015，31（1）：112-117.

［4］汶少华.聚乳酸生物可降解材料填料复合改性研究进展［J］.广州化工，2017，45（3）：6-8.

［5］曹雪波，王远亮，潘君，等.马来酸酐改性聚乳酸的力学性能研究［J］.高分子材料科学与工程，2002，18（1）：115-118.

［6］袁理，李芬芬，康睿玲，等.聚乳酸增韧改性研究进展［J］.中国塑料，2017，31（1）：7-12.

［7］姚姗姗，蒋迪，郑翔，等.聚乳酸/木粉合成材料的制备及期性能研究［J］.塑料科技，2017（5）：59-62.

［8］宋庆龙，温慧颖，Jesperde Claville Christiansen，等.改性木纤维/聚乳酸复合材料的制备与性能研究［J］.分子科学学报(中、英文)，2016（6）：453-459.

［9］刘一楠.冷却速率及纤维形态对木纤维/聚乳酸复合材料性能的影响［D］.北京：中国林业科学研究院，2014.

［10］孙晓婷.等温结晶对木纤维/聚乳酸复合材料结晶与性能的影响［D］.北京：中国林业科学研究院，2016.

［11］郭文静.木纤维/聚乳酸生物质复合材料复合因子研究［D］.北京：中国林业科学研究院，2008.

［12］国家技术监督检验检疫总局.GBT 17657-2013人造板及饰面人造板理化性能试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2013.

［13］杨龙.木粉/聚乳酸复合材料的制备及性能表征［D］.哈尔滨：东北林业大学，2015.

［14］孙晓婷，唐启恒，常亮，等.冷结晶对杨木纤维/聚乳酸复合材料性能的影响［J］.南京林业大学学报(自然科学版)，2016，40（4）：137-142.

第1作者简介：吴蕴忱（1961-），男，副研究员，研究方向：木材复合材料的制备。

Effects of Wood Fiber Size on Mechanical Properties of Poplar Wood Fiber/ Poly(Lactic Acid)Composites

WUYunchen
（Heilongjiang Institute of Wood Science,Harbin150081）

The effects of wood fiber(WF)size on mechanical properties of poplar wood fiber/poly(lactic acid)composites were investigated.It was found that wood fibers with different size had different effects on the MOR,MOE,tensile strength and impact strength of PLA in WF/PLA composites.The integrated performance of composite samples with middle size wood fibers is higher than others.The tensile strength of composites within small size wood fibers is the highest,and the samples of large wood fibers is the lowest. The experimental results showed that the dispersity and homogeneity of wood fibers would impact mechanical properties,and the wood fibers size determines the dispersity and homogeneity of this two-phase system.Appropriate wood fiber size would provide certain effects on mechanical properties of wood fiber/ poly(lactic acid)composites.

Wood fiber;Poly(Lactic Acid);Composites;Mechanical properties;Fiber size

TS653.5

A

2017-05-20

（责任编辑：潘启英）

1001-9499（2017）04-0023-04

*黑龙江省财政自拟项目“聚乳酸/木纤维结晶动力学过程研究”