麻增强型淀粉基复合膜的制备与力学性能研究*

云川

东华大学纺织学院，上海 201620

塑料的使用给人们带来了极大的便利，但也带来了严重的污染问题。传统塑料主要由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚酯(PET)等制备而成[1]，这些材料难以自然降解且原料为不可再生资源，对环境和资源产生了极大压力。为了缓解传统塑料所带来的压力，研究人员致力于研发可自然降解塑料，目前主要有聚乳酸塑料、聚己内酯塑料、淀粉基塑料等[2]。由于淀粉价格低廉、来源丰富且可再生，近年来淀粉基塑料受到了极大关注[3]。但由于淀粉存在亲水性强、成膜性差等缺陷[4]，当塑料产品中淀粉含量增加时，材料的力学性能随之下降，无法满足应用要求。因此，在提高淀粉基塑料中淀粉比例的同时，又要保证塑料具有良好的力学性能，成为淀粉基塑料研发的难点之一[5]。

为了解决淀粉基塑料力学性能不足的问题，研究人员考虑使用增强基体材料来提高其力学性能。麻纤维因其优异的拉伸性能和韧性，成为增强材料的不二选择[6]。张传伟等[7]将改性剑麻纤维、热塑性淀粉和聚乙烯醇制浆，然后模压发泡，制得麻增强热塑性淀粉复合材料，探究了纤维长度和用量以及模压工艺对材料抗拉强度的影响；周双等[8]将剑麻纤维经碱处理，然后将其与热塑性淀粉、低密度聚乙烯混合，制备复合材料以增强其力学性能；刘兴静等[9]以热塑性淀粉、聚丁二酸丁二醇酯为基体，麻纤维为填料，采用注塑法制备复合材料，探究了麻纤维含量、处理方式和麻种类对材料力学性能的影响。上述研究都是将麻纤维或改性麻纤维和热塑性淀粉直接混合，经处理后制备成膜。这种方法虽然能提高淀粉基塑料膜的力学性能，但同时也存在一些问题，如麻纤维本身为亲水性材料，易出现相分离现象；当加工温度较高时，麻纤维易炭化；麻纤维需磨成粉状，成本较高等。因此，需要寻找一种工艺简便、成本较低，同时又能有效提高淀粉基塑料力学性能的方法。

本文采用热压复合的方法，将黄麻纤维网与淀粉基塑料膜(以下简称淀粉膜)通过高温热压复合成膜。采用的淀粉膜由淀粉和低密度聚乙烯(LDPE)构成，高温下LDPE可熔融黏合，无需再添加其他物质。此方法不仅可以提高淀粉膜的力学性能，还可保持淀粉膜的可降解性和低成本。近年来麻纤维应用于地膜领域的研究较多，这种地膜在土地中有良好的降解性能[10]，同时具有增加土壤养分含量、降低土壤可溶性盐含量[11]等优点。

1 试验部分

1.1 主要试验材料及仪器设备

试验所用黄麻纤维为麻纺厂落麻，其主要性能见表1。试验所用淀粉膜的平均面密度为16 g/m2，由龙岩裕丰环保科技有限公司产生，主要成分为改性玉米淀粉和LDPE，其中改性玉米淀粉质量分数为70%，LDPE质量分数为30%。

表1 黄麻纤维的性能

试验所用主要仪器设备：XQ-2型单纤维强伸仪，上海新纤仪器公司；Y171B型中段切断器，常州市第二纺织机械厂；JN-B型精密扭力天平，上海良平仪器仪表有限公司；小型梳棉机，上海纺织工学院机械工厂；XLB型平板硫化机，上海齐才液压机械有限公司；YG026MB-250型电子万能强力仪，温州市大荣纺织仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 黄麻纤维成网

先对黄麻纤维进行初步除杂，然后随机选取一定质量的黄麻纤维，将其均匀平铺在小型梳棉机上，梳理得到不同面密度的均匀纤维网。将黄麻纤维网放置在温度22 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿环境中平衡回潮48 h，备用。

1.2.2 麻增强型淀粉基复合膜的制备

将黄麻纤维网横向放置在平板硫化机的热压区内，将淀粉膜放置在黄麻纤维网上面，然后将另一块同样规格的黄麻纤维网纵向放置在淀粉膜上面，形成“夹心式”复合结构。热压工艺设置不同的温度、压力和时间，制得麻增强型淀粉基复合膜(以下简称复合膜)。

1.2.3 断裂强力测试

采用YG026MB-250型电子万能强力仪，参照GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》测试复合膜样品的断裂强力。测试条件：预加张力2 N，拉伸速度100 mm/min，隔距200 mm，样品宽度50 mm。

1.2.4 撕裂强力测试

采用YG026MB-250型电子万能强力仪，参照GB/T 3917.3—2009《纺织品 织物撕破性能 第3部分：梯形试样撕破强力的测定》测试复合膜样品的撕裂强力。测试条件：样品长度150 mm，样品宽度75 mm，隔距25 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.2.5 顶破强力测试

采用YG026MB-250型电子万能强力仪，参照GB/T 24218.5—2016《纺织品 非织造布试验方法 第5部分：耐机械穿透性的测定(钢球顶破法)》测试复合膜样品的顶破强力。测试条件：样品直径130 mm，钢球顶杆移动速度300 mm/min。

2 结果与分析

2.1 黄麻纤维用量对复合膜力学性能的影响

在热压温度为120 ℃、热压压力为6 MPa、热压时间为120 s时，黄麻纤维用量(即黄麻纤维相对淀粉膜的质量分数)分别选择25.0%、87.5%、150.0%、212.5%、275.0%和337.5%，进行热压复合处理，所得复合膜的断裂、撕裂与顶破强力如图1和图2所示。

图1 黄麻纤维用量对复合膜断裂强力的影响

图2 黄麻纤维用量对复合膜撕裂和顶破强力的影响

由图1和图2可以看出：随着黄麻纤维用量的增加，复合膜的断裂、撕裂和顶破强力不断增大；当黄麻纤维用量为87.5%～212.5%时，复合膜的各项强力增幅较大；当黄麻纤维用量小于87.5%和大于212.5%时，复合膜的各项强力增幅相对较小。在热压作用下，淀粉膜中LDPE的熔融可起到黏合作用，使得黄麻纤维网与淀粉膜复合在一起，黄麻纤维对复合膜起到增强作用。复合膜受到外力作用时，首先是黄麻纤维的伸展，以及LDPE分子链的拉伸和键长、键角的变化，随后是黄麻纤维断裂或者从基体中拔出。当黄麻纤维用量小于87.5%时，黄麻纤维较少，在复合膜中比较分散，淀粉膜的伸长大于麻纤维，复合膜会因LDPE的拉伸断裂而先断裂，故开始对复合膜的增强作用较弱。随着黄麻纤维用量的逐渐增加，在受力方向上承受外力的黄麻纤维逐渐增多，使纤维断裂和拔出所需要的力逐渐增大，复合膜的力学性能不断提高。当黄麻纤维用量超过212.5%时，由于复合膜为“夹心式”结构，热压过程中传热受到阻碍，黄麻纤维与淀粉膜之间的黏结性变差，因此影响了增强效果，复合膜的强力增速变缓。

虽然黄麻纤维用量越大，复合膜的力学性能越好，但当黄麻纤维用量大于212.5%时，其力学性能的增幅减缓，且黄麻纤维用量越大，复合膜的成本越高。综合考虑成本及力学性能，黄麻纤维用量选择相对淀粉膜的质量分数为212.5%较适宜。

2.2 热压温度对复合膜力学性能的影响

当黄麻纤维用量为212.5%、热压压力为6 MPa、热压时间为120 s时，热压温度分别选择110、115、120、125、130、135 ℃，将黄麻纤维网和淀粉膜热压复合，所得复合膜的断裂、撕裂与顶破强力如图3和图4所示。

图3 热压温度对复合膜断裂强力的影响

图4 热压温度对复合膜撕裂和顶破强力的影响

由图3和图4可以看出：当热压温度低于125 ℃时，复合膜的断裂、撕裂和顶破强力均随着热压温度的升高而增大，125 ℃时三者均达到最大值；之后，三者随热压温度的升高呈下降趋势。热压温度从110 ℃上升到125 ℃时，复合膜的力学性能提高幅度较大，这是因为随着热压温度的升高，淀粉膜中LDPE的软化熔融变好，淀粉膜与黄麻纤维网的黏结更牢固，黄麻纤维的增强作用更明显；当热压温度进一步升高至135 ℃时，由于黄麻纤维是一种刚性较大的纤维素纤维，温度过高会破坏黄麻纤维结构，纤维受损而强力下降，其增强作用减弱，因此复合膜的力学性能下降。

由于125 ℃时复合膜的断裂、撕裂和顶破强力与120 ℃时相差不大，从节约能源角度考虑，选择热压温度120 ℃较适宜。

2.3 热压时间对复合膜力学性能的影响

当黄麻纤维用量为212.5%、热压温度为120 ℃、热压压力为6 MPa时，热压时间分别选择30、60、90、120、150、180 s，将黄麻纤维网和淀粉膜热压复合，所得复合膜的断裂、撕裂与顶破强力如图5和图6所示。

由图5和图6可以看出：当热压时间小于150 s时，复合膜的断裂、撕裂和顶破强力都随时间的延长而增大；随后，再增加时间，断裂强力降低，而撕裂和顶破强力虽呈增加趋势，但增幅较小。热压时间由30 s增加到150 s时，复合膜的力学性能提高。这是因为复合膜是通过淀粉膜中LDPE熔融黏结在一起的，淀粉膜与黄麻纤维网黏合需要一定时间，热压时间延长，LDPE的熔融和流动变好，淀粉膜和黄麻纤维的黏结更牢，从而强力得到不断提高。当热压时间达到150 s后，LDPE已充分熔融，并在黄麻纤维网和淀粉膜黏结处分布均匀，黏结较好。继续延长时间，复合膜在压力作用下虽变得密实，但回弹性变差，因此复合膜的撕裂和顶破强力略微提高；断裂强力下降可能是因为黄麻纤维长时间高温热压，使部分纤维受损，膜中出现弱节，影响断裂强力。

图5 热压时间对复合膜断裂强力的影响

图6 热压时间对复合膜撕裂和顶破强力的影响

综合上述分析，兼顾生产效率，热压时间选择120 s较合适。

2.4 热压压力对复合膜力学性能的影响

当黄麻纤维用量为212.5%、热压温度为120 ℃、热压时间为120 s时，热压压力分别选择2、4、6、8、10 MPa，将黄麻纤维网和淀粉膜热压复合，所得复合膜的断裂、撕裂与顶破强力如图7和图8所示。

图7 热压压力对复合膜断裂强力的影响

图8 热压压力对撕裂和顶破强力的影响

由图7和图8可以看出：当热压压力小于6 MPa时，复合膜的断裂、撕裂和顶破强力都随着热压压力的增大而增大；当热压压力达到6 MPa时，三者均达到最大；之后，随着热压压力的增大，复合膜的断裂、撕裂和顶破强力呈下降趋势。热压压力小于6 MPa时，复合膜的力学性能随热压压力的增加而提高，这是因为热压压力可促进熔融的LDPE流动，有利于熔融液滴在黄麻纤维间的扩散，更好地发挥其黏结作用。热压压力越大，淀粉膜和黄麻纤维间的黏结越牢，从而复合膜的强力越高。当热压压力由6 MPa增大到10 MPa时，复合膜的力学性能下降，这是因为压力增大虽然有利于LDPE的流动扩散，但同时也会将黄麻纤维网压紧，纤维间的缝隙变小，增加了熔融LDPE扩散浸透到黄麻纤维间的难度，不利于淀粉膜和黄麻纤维的黏合，致使复合膜力学性能下降。

综上所述，热压压力选择6 MPa较合适。

3 结论

(1) 随着黄麻纤维用量和热压时间的增加，复合膜的力学性能均呈上升趋势；随着热压温度和热压压力的增加，复合膜的力学性能呈现先提高后下降的趋势。

(2)通过单因素试验得到制备麻增强型淀粉基复合膜的较佳工艺：黄麻纤维用量212.5%，热压温度120 ℃，热压时间120 s，热压压力6 MPa。在此条件下制得的复合膜断裂强力为38.0 N，撕裂强力为2.0 N，顶破强力为15.8 N。