PLA 木塑复合材料性能研究及界面处理分析

张薇，路琴，刘思思，赵泊祺

(南京农业大学工学院，南京 210031)

木塑复合材料是一种新型的环保材料[1]，但近年来，大多数木塑复合材料的塑料基体都是以石油为来源，这种复合材料不能完全降解，严重污染环境[2]。聚乳酸(PLA)高分子材料来源广泛，在一定条件下可以完全降解和再生，这无疑是制造业未来发展的最佳选择[3]。宋丽贤等[4]研究发现木粉可以增强PLA，当木粉质量分数为50%时，PLA／木粉复合材料的拉伸强度最大，比纯PLA 提高10 MPa。陈良壁等[5]发现当木粉含量从20%增加到60%时，PLA ／木粉复合材料的拉伸强度从41.83 MPa 降低到15.96 MPa。Lee Seung-Hwan[6]的研究表明，添加竹纤维会使PLA／竹纤维复合材料的拉伸强度略有下降。

木质纤维和PLA 基体的表面极性差异较大，复合材料的表面相容性通过对植物纤维或塑料进行表面处理得以改善，从而增强复合材料的界面粘结强度[7]。王博文等[8]研究发现偶联剂改性后的复合材料的力学性能得到改善，硅烷偶联剂改性的秸秆粉含量为50%的复合材料洛氏硬度和弯曲强度最大。以上对木塑复合材料的研究主要是针对一种植物纤维的研究，然而对不同种类、含量的植物纤维增强PLA 木塑复合材料之间的比较以及界面处理分析的报道较少。稻壳-木塑复合材料具有质量轻、强度高、成本低和环保等优点[9]，竹粉-木塑复合材料兼有竹材和塑料的优点[10]，杨木的纤维含量是阔叶植物中最高之一[11]。随着塑料用量的增加，“白色污染”变得越来越严重，研究不同种类植物纤维对PLA 木塑复合材料的增强作用意义重大。

笔者选择稻壳、竹粉、杨木粉为PLA 的增强材料，制备了不同木粉含量的木塑复合材料，其中PLA／杨木粉复合材料性能最优良；采用硅烷偶联剂KH550 进行界面处理，有效地提升了PLA 木塑复合材料的力学性能,在一定程度上丰富了PLA木塑复合材料的研究内容，对保护环境、节约资源有重大意义。

1 实验部分

1.1 主要原材料

PLA：4032D，中国石油化工股份有限公司；

稻壳粉、竹粉、杨木粉：市售；

硅烷偶联剂：KH550，济南万承宁化工产品有限公司；

乙醇：分析醇，南京化学试剂有限公司。

1.2 主要设备及仪器

台式中药粉碎机：08B 型，南京威利朗食品机械有限公司；

振动筛：ZS-100 型，无锡市新标粉体机制造有限公司；

电子天平：FA1004 型，上海恒平科学仪器有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9053A 型，上海中友仪器设备有限公司；

电磁平板硫化机：XLB-0 型，湖州顺力橡胶机械有限公司；

微机控制电子万能试验机：CMT6104 型，美斯特工业系统(中国)有限公司；

简支梁冲击试验仪：XJJ-5 型，承德市金建检测仪器有限公司；

体视显微镜：Nikon SMZ1000 型，上海衡浩仪器有限公司。

1.3 试样制备

使用粉碎机将粗稻壳粉、竹粉、杨木粉进行粉碎，再使用振动筛得到180～250 μm 的粉料，将所得木粉在80℃下干燥12 h至含水量＜2%；PLA 在80℃下干燥8 h，备用。

按木粉质量分数为20%、30%、40%、50%分别称取木粉及PLA，另外再分别称取木粉和PLA 的比例为3 ∶7 时作为添加2%硅烷偶联剂的材料，共计15 种。具体配方见表1。

表1 木塑复合材料的样品配方 %

按照图1的制备工艺制备木塑复合材料。将材料充分混合并置于模具中，两面放置锡箔纸便于材料脱模及模具清理，平板硫化机参数设定温度为160℃，压力为5.5 MPa。第一次压至上下两板温度下降之后，加热再回升至初始设定值，3 次保压，每次5 min，充分冷却3 h 后脱模，板材尺寸为120 mm×100 mm，将板材切割成尺寸为10 mm×100 mm 的标准试样，备用。

图1 木塑复合材料的制备工艺

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能按GB／T 1040-2006 测试，拉伸速率为5 mm／min；

冲击强度按GB／T 1043.1-2008 测试，冲击速率为2.9 m／s，冲击能量为2 J；

吸水性能按GB／T 1034-2008 测试；

微观表征：采用体视显微镜对木塑复合材料的微观结构进行观察，放大倍率为480 倍。

2 结果与讨论

2.1 纤维种类及含量对PLA 复合材料性能影响

(1)拉伸强度。

图2 是不同植物纤维含量的PLA 木塑复合材料的拉伸强度。由图2 可知，随着木粉填充量的逐渐升高，复合材料的拉伸强度整体呈现先升高后下降再稍有回升的趋势，其中PLA／杨木粉复合材料拉伸强度最优，当杨木粉质量分数为30%时，复合材料的拉伸强度最大，最大值为16.26 MPa，其次是PLA／竹粉复合材料，最后是PLA／稻壳粉复合材料。由于PLA 属于断裂伸长率低的脆性材料，当木粉填充量较少时，木纤维对复合材料的塑性增强作用很小从而使复合材料更多表现为PLA 的脆性，导致复合材料的拉伸强度较差；当木粉含量增加到一定程度时，粉末均匀地分散在塑料中，并且粉末彼此接触，引起交叉甚至缠绕，纤维之间相互约束[12]，使得复合材料能够承受的拉力大幅度增加，很好地增强了复合材料的塑性，材料表现为较大的拉伸强度；当木粉含量进一步增强时，纤维和PLA 的接触面积以及缠绕程度增加不大，木粉含量不再是主要影响因素，拉伸强度趋于平稳。由于杨木粉与PLA 之间交叉缠绕更加牢固，从而使得PLA／杨木粉复合材料的拉伸强度优于其它两种复合材料，且在含量为30%时最优。

图2 不同种类和含量的PLA 木塑复合材料的拉伸强度

(2)冲击强度。

图3 是不同植物纤维种类和含量的PLA 木塑复合材料的冲击强度。由图3 可知，随着木粉含量逐渐升高，复合材料的冲击强度表现为先上升后下降的趋势，PLA／杨木粉复合材料冲击强度优于其它两种复合材料，其中当杨木粉质量分数为30%时，复合材料的冲击强度最大，其值为4.44 kJ／m2。这可能是由于木粉含量过低时，对PLA 复合材料韧性改善较小，更多表现出PLA 高分子材料的脆性；当木粉含量再增加，木纤维与PLA 相互交叉缠绕相互制约，很好地增强了复合材料的韧性；而当木粉含量进一步增加，过高的木粉填充到PLA 中将形成团聚现象，造成应力集中，导致材料变脆而易断裂。当PLA／杨木粉的配比为7 ∶3 时，复合材料的结合度和结晶度较好，内部结合稳固，从而使复合材料获得较大的冲击强度。

图3 不同种类和含量的PLA 木塑复合材料的冲击强度

(3)吸水性能。

图4 是不同种类和含量的PLA 木塑复合材料的吸水性。由图4 可知，随着木粉含量的增加，复合材料的吸水率整体呈上升趋势，其中PLA／稻壳复合材料的吸水率较其它两种整体稍低，当竹粉质量分数为20%时吸水率最低，其值为4.81%。植物纤维表面亲和极性水分子，吸水性能良好，PLA 高分子材料表面极性同水分子极性相反，疏水性强，从而复合材料中植物纤维含量越多，其吸水性就越好而使用性能则越差。当植物纤维质量分数低于40%时，复合材料的吸水率维持在较低水平，复合材料具有较好的使用性能。

图4 不同种类和含量的PLA 木塑复合材料的吸水性能

2.2 偶联剂对PLA 复合材料性能的影响

表2 是采用KH550 界面处理对纤维含量为40%的PLA／纤维复合材料的力学性能及吸水性能的影响。由表2 可知，改性后PLA 复合材料的拉伸强度及冲击强度都有大幅度的提高，且PLA／竹粉复合材料吸水率有明显下降。其中，PLA／竹粉复合材料的拉伸强度提高最大，较改性前提高了119.74%，其值为21.60 MPa；PLA／竹粉复合材料的冲击强度提升最大，较改性前提升了86.52%，其值为5.95 kJ／m2；PLA／竹粉复合材料的吸水率下降最多，较改性前下降了57.19%，其值为4.97%。硅烷偶联剂对PLA 木塑复合材料的改性效果良好，使得复合材料的各项性能均有所改善，尤其是对PLA／竹粉复合材料，其各项性能均有了大幅度提高。由于木粉和PLA 极性相差较大，两者的结合属于简单物理结合，所以结合并不稳固，而硅烷偶联剂的极性基团可与木粉结合，非极性基团可与PLA 基体结合，硅烷作为木粉和PLA 之间的桥梁通过化学反应将两者稳固地联合起来，因此复合材料的拉伸和冲击性能都有较大的提升。另一方面由于木粉是一种多孔材料，吸水性强，添加硅烷偶联剂可连接有机基团和无机基团，使复合材料的孔隙率降低，从而使复合材料不易吸水，表现为较低的吸水性能，使复合材料有更好的使用性能。

表2 偶联剂改性的PLA 木塑复合材料的性能

2.3 微观形貌表征分析

(1)不同植物纤维改性木塑复合材料微观表征。

图5 为20%植物纤维含量的PLA 复合材料的微观表征图。

图5 质量分数20%不同植物纤维的PLA 木塑复合材料微观图

由图5 可知，PLA／杨木粉复合材料(图5c)的填充材料与PLA 基体结合较为均匀，空洞和缺陷较少，其次是PLA／稻壳粉复合材料(图5a)、PLA／竹粉复合材料(图5b)，这一结果说明杨木粉能够较好地改善PLA 的性质，且杨木粉在材料中分散均匀，能够为复合材料提供较稳定的支架，因此表现出良好的力学性能。

(2)界面处理复合材料的微观表征。

图6 为当PLA ∶杨木粉配比为6 ∶4 时添加硅烷偶联剂改性前后的木塑复合材料的微观表征图。由图6 可知，未添加偶联剂的复合材料(图6a)中，填充材料与PLA 基体之间明显混合不均，组分堆积明显，形成空洞和缺陷；而添加了硅烷偶联剂的复合材料(图6b)各组分较为均匀，空洞和缺陷较少。添加硅烷偶联剂可改善复合材料中木粉与PLA 两者之间的界面相容性，且增强木粉与PLA 之间的粘合力，植物纤维和PLA 基体结合更紧密，材料成分混合更均匀，材料表面更光滑，各项性能优于未添加偶联剂改性的复合材料。

图6 PLA∶杨木粉配比为6∶4 时的PLA 木塑复合材料的微观图

3 结论

(1)植物纤维的含量对PLA 木塑复合材料的性能影响较大。当纤维质量分数为30%时复合材料具有较大的拉伸强度和冲击强度；而随着纤维含量的增加，吸水率呈上升趋势。

(2)不同植物纤维对PLA 木塑复合材料的增强效果有所不同，PLA／杨木粉复合材料具有最优性能。当杨木粉质量分数为30%时，PLA／杨木粉复合材料有最大拉伸强度和冲击强度，分别为16.26 MPa 和4.44 kJ／m2；PLA／竹粉复合材料有最低吸水率，其值为4.81%；PLA／稻壳复合材料较为稳定。

(3)添加硅烷偶联剂改性后，复合材料质地均匀，空洞缺陷少，力学性能都有较大的提高。PLA／竹粉复合材料的拉伸强度从9.83 MPa 提高到21.60 MPa，冲击强度从3.19 kJ／m2提高到5.95 kJ／m2。