弹性体对棉秆纤维/PLA复合材料的增韧研究

许 多 苗 苗 刘马俊 崔永珠 吕丽华 魏春艳

大连工业大学纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034

2016-12-28

2017-01-06

许多，女，1992年生，在读硕士研究生，主要研究方向为天然纤维的开发和综合利用

魏春艳，E-mail：weicy@dlpu.edu.cn

弹性体对棉秆纤维/PLA复合材料的增韧研究

许 多 苗 苗 刘马俊 崔永珠 吕丽华 魏春艳

大连工业大学纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034

以棉秆纤维为增强材料、聚乳酸(PLA)为基体材料及不同质量分数的聚氨酯热塑性弹性体(TPU)和聚烯烃弹性体(POE)分别为增韧剂，通过熔融共混的方式制备棉秆纤维/PLA复合材料，然后测试复合材料的力学性能，并观察其断裂形貌，探讨弹性体对棉秆纤维/PLA复合材料的力学性能的影响。结果显示，POE的增韧效果优于TPU，当POE的质量分数为8%时，棉秆纤维/PLA复合材料的冲击强度达到0.77J/cm2、弯曲强度达到114.729MPa，分别比未添加弹性体时提高250.00%、 95.88%。

弹性体， 棉秆纤维，PLA， 复合材料， 增韧， 冲击强度， 弯曲强度

聚乳酸(PLA)是一种资源可再生、具有良好生物相容性的绿色高分子材料，但它的柔软性和抗冲击性差，硬而脆，断裂伸长率仅5%，这限制了其应用[4]。因此，需要在PLA中加入弹性体进行增韧改性，改善其韧性和抗冲击性。近年来，已经有较多的研究者[5-8]采用共混方式加入弹性体，提高纤维增强PLA复合材料的冲击性能。结果表明，加入弹性体后，纤维增强PLA复合材料的共混体系发生脆韧转变，弹性体的结构对共混体系的微观形态和冲击性能有较大的影响，综合地提高了复合材料的力学性能。

本文以棉秆纤维为增强材料、PLA为基体材料进行复合，并采用熔融共混的方式加入不同质量分数的聚氨酯热塑性弹性体(TPU)或聚烯烃弹性体(POE)，得到棉秆纤维/PLA复合材料试样(以下简称“试样”)，然后测试其力学性能，并观察其断裂形貌。

1 试验

1.1材料与仪器

1.1.1 材料

棉杆，山东单县；PLA，深圳光华伟业实业有限公司；乙醇，天津市科密欧化学试剂有限公司；TPU、 POE，东莞市樟木头乐华塑胶原料商行。

1.1.2 仪器

SJK-160A小型开放式混炼机，武汉怡扬塑料机械有限公司；ZHY-W型万能制样机，承德建德检测仪器有限公司；HPC-0.63型0.63MN(或HPC-100型1.00MN)半自动压力成型机，无锡市中凯橡胶机械有限公司；TH-8120S伺服电脑式万能材料试验机，苏州拓博机械设备有限公司。

1.2试验方法

在对照组西医治疗方案的基础上，再予大八风汤加减治疗，药物组成：党参15 g，黄芪30 g，茯神15 g，紫苑12 g，当归20 g，川芎12 g，赤芍15 g，独活10 g，秦艽10 g，五味子6 g，地龙10 g，陈皮9 g，炙甘草10 g。1剂/d，水煎取汁300 mL，分早晚2次口服。治疗4周为1个疗程，共1个疗程。

1.2.1 棉秆纤维制备

将棉秆去皮、打粉，粉碎后的棉秆粉过40目筛，脱胶备用。棉秆纤维脱胶工艺流程：棉秆粉→预氧处理→水洗→高温脱胶→热水洗(80 ℃左右)→冷水洗→烘干(80 ℃)→分散。

1.2.2 复合材料试样制备

共混前，将棉秆纤维、PLA、 TPU、 POE于80 ℃真空烘箱中干燥120 min，其中各物料配比见表1。共混时，先将弹性体(TPU或POE)放在170 ℃、转速为60 r/min的混炼机中，混炼5 min后加入PLA，混合均匀后再加入棉秆纤维共混，10 min后取出共混物；然后，将共混物在HPC-0.63型0.63MN(或HPC-100型1.00MN)半自动压力成型机上模压成型，热压压力10 MPa、热压温度170 ℃、热压时间5 min， 再冷压15 min；最后，利用ZHY-W型万能制样机裁成标准试样，并采用TH-8120S伺服电脑式万能材料试验机进行力学性能测试。

表1 复合工艺参数

1.2.3 测试及表征

参照国家标准GB/T 1843—2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》、GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，对试样进行冲击强度和弯曲强度测试。

断裂形貌观察：试样经液氮冷冻脆断后，对断裂面进行喷金处理，并利用SEM观察断裂形貌。

2 结果与讨论

2.1弹性体对试样力学性能的影响

图1 试样冲击强度测试结果

2.1.1 弹性体对试样冲击强度的影响

由图1可知，2种弹性体(POE或TPU)的加入都使得试样的冲击强度明显提高，表明TPU和POE对棉秆纤维/PLA复合材料都有增韧作用。这是由于弹性体具有很好的韧性，当试样受到外力冲击时，弹性体会先于其周围的基体发生变形，并吸收一定的冲击能量，提高了试样的韧性。随着弹性体质量分数的逐步增加，试样的冲击强度呈现出先上升后下降的趋势；当弹性体质量分数达到8%之后，试样的冲击强度均开始下降，这可能是共混体系由脆性向韧性转变而导致的。由图1还可以看出，加入POE的试样的冲击强度比加入TPU的试样高；当POE的质量分数为8%时，试样的冲击强度达到最大值(0.77 J/cm2)，比未添加弹性体的试样(其冲击强度为0.22 J/cm2)提高了250%。

2.1.2 弹性体对试样弯曲强度的影响

如图2所示，随着弹性体质量分数的逐步增加，试样的弯曲强度也呈现先上升后下降的趋势。加入弹性体的试样的弯曲强度都达到了80.000 MPa以上，这表明2种弹性体都是棉秆纤维/PLA复合材料的有效增韧剂。同时发现，当弹性体质量分数达到8%时，试样的弯曲强度均达到最大值，加入TPU的试样的弯曲强度为110.050 MPa，比未添加弹性体的试样(其弯曲强度为58.571 MPa)提高了87.89%；而加入POE的试样的弯曲强度为114.729 MPa，比未添加弹性体的试样提高了95.88%，这说明POE的增韧效果优于TPU。POE结构中的辛烯长链易与PLA分子链缠结，加大了两相(即增强体和基体)的结合力，并降低了界面张力，还减少了橡胶相(即弹性体)的聚集，使得基体中的分散相(即棉秆纤维)粒径较小且粒径分布较窄，因此它对棉秆纤维/PLA复合材料的增韧效果很好[9]。

图2 试样弯曲强度测试结果

2.2弹性体对试样断裂形貌的影响

图3所示为未添加弹性体及添加8%质量分数的POE和TPU的3种试样的断裂形貌观察结果。如图3(a)所示，未添加弹性体的试样断面比较平滑，还有大量裸露的PLA粒子，是典型的脆性断裂。如图3(b)所示，在添加8%质量分数的POE的试样断面上，可以清楚地看到分散相颗粒明显、粒径均匀，两相之间界面模糊，说明界面结合作用增强，且试样断面上有大量的纤丝，是典型的韧性断裂。如图3(c)所示，在添加8%质量分数的TPU的试样断面上，可以看到TPU呈球状分布，形成海岛结构，整个共混体系具有成为连续结构的趋势；虽然TPU粒子分布均匀，但粒径过小，无法控制银纹的发展，也不能终止银纹而避免其发展为破坏性的裂纹[10]，因此它对棉秆纤维/PLA复合材料的增韧效果较POE差。

图3 3种试样的断裂形貌比较

3 结论

(1) 随着弹性体(TPU和POE)质量分数的增加，棉秆纤维/PLA复合材料的冲击强度和弯曲强度都呈先上升后下降的趋势，这可能是共混体系由脆性向韧性转变导致的。

(2) 弹性体TPU和POE都是棉秆纤维/PLA复合材料的有效增韧剂，POE的增韧效果优于TPU。

(3) 弹性体质量分数为8%时，棉秆纤维/PLA复合材料的冲击强度和弯曲强度均达到最大值。当POE质量分数为8%时，棉秆纤维/PLA复合材料的冲击强度为0.77 J/cm2，比未添加弹性体时提高了250.00%；弯曲强度为114.729 MPa，比未添加弹性体时提高了95.88%。

(4) 由SEM观察发现，棉秆纤维/PLA复合材料的断裂形貌与其力学性能密切相关。

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Study on toughening of cotton stalk fiber/PLA composites with elastomer

XuDuo，MiaoMiao，LiuMajun，CuiYongzhu，LvLihua，WeiChunyan

School of Textile and Material Engineering， Dalian Polytechnic University， Dalian 116034， China

Cotton stalk fibers were taken as the reinforing material, PLA was taken as the matrix， and thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) and polyolefin elastomer (POE) of different mass fraction were taken as the toughening agent respectively， to prepare cotton stalk fiber/PLA composites through the melt blending method. Then the mechanical properties of the composites were tested， and the fracture morphology of the composites was observed， to explore the effect of elastomers on the mechanical properties of the cotton stalk fiber/PLA composites. The results showed that the toughening effect of POE was better than that of TPU， when the mass fraction of POE was at 8%， the impact strength of the cotton stalk fiber/PLA composite reached 0.77 J/cm2and the flexural strength reached 114.729 MPa， respectively increased by 250.00% and 95.88% compared with that of the cotton stalk fiber/PLA composite without elastomer.

elastomer， cotton stalk fiber， PLA， composite， toughening， impact strength， flexural strength

TQ314.24

B

1004-7093(2017)08-0018-03