聚乳酸基植物纤维复合材料研究进展

倪克新, 王瑞鑫, 徐冬梅

(徐州工业职业技术学院 材料工程学院， 江苏徐州 221140)

0 前言

聚乳酸(PLA)来源广泛，是一种以乳酸为原料，不依赖石油等化石原料的高分子聚合物，其力学、化学性能与传统塑料材料相近。PLA具有生物兼容性、良好加工性、高延展性和可降解性，在生物降解材料应用中得到了广泛的关注。使用后的PLA材料丢弃到土壤中，一年时间可以分解为水和二氧化碳，不会污染或损害环境[1-2]。

PLA用作石油基塑料的替代品，具有脆性大、力学强度低、亲水性差、在自然条件下降解缓慢等缺点，因此，基于PLA的改性就成为了降解材料研究的热点[3]。

植物纤维广泛地存在于植物的秆茎、根、果实、果壳中。每逢收获的季节大量农作物秸秆无处利用，常见的处理方式为田间就地焚烧和路边河道随意堆放，田间就地焚烧产生大量浓烟，放出大量的二氧化硫、二氧化碳及粉尘等污染物，随意堆放必然占用土地，破坏村容村貌，秸秆腐烂分解后释放有害物质，影响空气质量和农村居民的生存环境，是多年来困扰各级政府管理部门的一个难题[4]。秸秆复合材料解决了此问题：将稻壳、稻草、麦秸、玉米秸秆、棉花秆、木屑、竹屑等农作物秸秆或其他植物的秆茎，先制成10～200目的植物纤维粉料，可与各类高聚物复合制备具有木质感的复合材料[5-7]。

PLA基植物纤维复合材料由PLA与植物纤维按一定比例复合制备而成，一方面改善了PLA的力学性能、热性能，降低成本，另一方面保留了PLA良好的生物相容性，以及可降解绿色环保的特点。

笔者主要从植物纤维表面处理、品种和用量的优化、与基体树脂间的相容性，以及与传统填充剂的复配和增韧阻燃性能的开发等方面加以阐述。

1 植物纤维的预处理

植物纤维中的纤维素、半纤维素、木质素都会影响复合材料的热稳定性[8]。实施表面处理可有效防止植物纤维加工过程中的热不稳定，并增加纤维和树脂的界面结合。常用的表面处理方法有碱洗、热处理和添加偶联剂等。

冼霖等[9]用氢氧化钠(NaOH)、过氧化氢(H2O2)、异氰酸酯(IPDI)等处理后的刨花板木粉(PBF)与PLA树脂熔融复合制备PLA/PBF木塑复合材料。结果表明:PBF经NaOH+H2O2或NaOH+IPDI处理后,PBF与基体间的界面相容性增强,复合材料的力学性能有所提高。

刘卓[10]研究了碱处理剑麻纤维(CASF)对复合材料性能的影响。结果表明:CASF有利于提高复合材料的力学性能,降低复合材料的吸水率,延缓剑麻纤维(SF)增强可降解树脂基复合材料的降解速率。

范武略等[11]使用NaOH与二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)丙酮溶液浸泡处理竹纤维,再和PLA进行复合,制备竹纤维/PLA复合材料。结果表明:经溶液处理后,竹纤维孔径呈现增大的状态,溶液浓度提升,竹纤维/PLA复合材料力学性能呈现先增大再减小的趋势。

费晓瑜等[12]将碱和硅烷处理过的玉米秸秆纤维与PLA复合,制备玉米纤维/PLA复合材料。结果表明：玉米秸秆纤维经碱处理后,纤维束分散成了多组单根纤维；硅烷处理后,形成了亲脂分子层,分子层连接得更加紧密，从而有效提高玉米秸秆/PLA复合材料的综合性能。

葛通等[13]以硅烷/钛酸酯偶联剂处理稻壳粉后与PLA复合，通过熔融共混的方法制备稻壳粉/PLA复合板材。结果表明：偶联剂提高了稻壳粉与PLA的界面黏结强度,有效提高稻壳粉/PLA复合板材的力学性能。张克宏等[14]以硅烷偶联剂KH550和钛酸酯处理玉米秸秆粉，用于玉米秸秆/PLA复合材料，改善了玉米秸秆粉与PLA间相容性,提升了复合材料的力学性能和热稳定性，降低了吸水性能；当KH550和钛酸酯的添加质量分数分别为1.5%和3%时,对应复合材料综合性能最佳,且钛酸酯的作用效果明显优于KH550。

宋丽贤等[15]将偶联剂KH570的烷基结构成功接枝到了木粉表面，使木粉在PLA基体中分散均匀，促进木粉/PLA复合材料异相成核结晶，提高复合材料的力学强度和热稳定性。

2 植物纤维的种类和用量

虽然植物纤维的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和灰分等，但不同品种植物的纤维和同种植物不同部位纤维的组分不尽相同，与PLA复合时应区别对待。

申晓燕等[16]以植物纤维和PLA为原料研究了制备生物质复合材料的工艺,探讨了木浆、竹浆、蔗渣三种纤维及其添加量对植物纤维/PLA复合材料拉伸性能及透湿性的影响，结果表明蔗渣纤维作为填料是较好的选择。

丁芳芳[17]用热压技术制作玉米秸秆/PLA复合材料,观察改变秸秆粉含量对复合材料力学性能的影响。结果表明:随着玉米秸秆含量的增加，复合材料的力学性能呈现先增大后减小的变化趋势，复合材料的质量损失率变大,加速PLA分子量的下降；当添加10%～13%(质量分数)的玉米秸秆时复合材料的力学性能达到最佳。

张薇等[18]研究了杨木粉、稻壳、竹粉(BF)及其含量以及偶联剂对PLA木塑复合材料性能的影响。结果表明：杨木粉对PLA复合材料的增强效果最好；杨木粉最佳质量分数为30%；植物纤维的添加使复合材料的吸水率上升；硅烷偶联剂对BF的处理效果好。

熊伟等[19]研究茶梗纤维(TSF)/PLA复合材料性能时发现随着TSF含量增加，复合材料密度减小，TSF良好的生物相容性得到最大发挥，降低了复合材料成本。

陈良壁等[20]发现当木粉质量分数从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。

3 植物纤维与PLA树脂的相容性

相容剂是一类通过分子间的键合力，促使不相容的两种聚合物结合在一体成为稳定共混物的助剂。相容剂有利于改善植物纤维和PLA树脂间的相容性[21-23]。

周帅等[24]以马来酸酐接枝聚乳酸(MAH-g-PLA)、马来酸酐(MAH)和硅烷偶联剂KH550用于玉米秸秆/PLA复合材料。结果表明：MAH-g-PLA改性复合材料的结晶度变化不大,MAH改性复合材料的结晶度显著增加,而经过KH550改性的复合材料的结晶度较未改性的复合下降。三种相容剂的使用使得复合材料的表面接触角均有所增加,表明可以有效提高复合材料的疏水性。

宋鑫宇等[25]以甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯辛烯共聚物(POE-GMA)作为相容剂,TPW604作为润滑剂制备PLA/BF复合材料，获得良好的相容性和流动性，提升了复合材料的综合性能。

张彦华等[26]通过研究甘油对木粉/PLA复合材料的性能影响发现，在PLA中添加甘油、木粉有利于提高相容性，相容性越高材料的性能越好，可以成为优质的绿色环保型材料。

葛正浩等[27]利用注射成型的方式制备了杨木粉/PLA复合材料,但材料的拉伸与弯曲性能发生了下降。使用甘油充当相容剂,再添加增塑剂和增韧剂后,力学性能得到了大幅度的提升。

4 PLA基植物纤维复合材料的增韧

硬而脆是PLA最显著的缺点，增韧改性在改善PLA的加工和应用推广中起着重要的作用[28]。

张克宏等[29]以PLA为基体、聚氨酯(PU)为增韧相、纳米纤维素(NCF)为增强相,通过溶液法与熔融共混制得PLA/PU/NCF复合材料。结果表明：柔顺的PU分子限制了PLA的结晶,提升了PLA基体的韧性；刚性的NCF通过氢键作用提升了PLA基体的强度。

葛正浩等[27]在杨木粉/PLA复合材料的配方优化与力学性能研究中提到在基础实验上加入增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和增韧剂聚丁二酸丁二醇酯(PBS)有效解决了PLA的硬脆问题。

赵泊祺等[30]通过对PLA/稻壳粉木塑复合材料加入乙烯-辛烯共聚物(POE)、玻璃纤维、碳酸钙(CaCO3)进行增韧改性,结果表明：玻璃纤维质量分数为20%时,PLA/稻壳粉木塑复合材料的增韧效果较好，但吸水性能显著提高(约为不添加增韧剂时的1.5倍)，POE和CaCO3的增韧效果不明显。

许鹏飞等[31]研究了不同含量的滑石粉对PLA共混物力学性能、流变性能、热性能的影响。结果表明：将一定量的增韧剂与滑石粉共同加入PLA中，可以增韧PLA并提高其耐热性能，可广泛用于生物降解的注塑产品。

石红锦等[32]以植物油为增塑剂通过双螺杆挤出机制备热塑性淀粉，和PLA共混造粒后考察热塑性淀粉/PLA质量比对共混材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度的影响。

石凌然等[33]以稻壳粉与PLA为原料,对比了白炭黑和纳米CaCO3的增韧行为，结果发现：相比于白炭黑，纳米CaCO3能更有效地提高材料的拉伸、弯曲和冲击强度并降低吸水率。

5 结语

通过对植物纤维的表面处理、相容剂的合理选用和PLA的增韧，使PLA植物纤维复合材料既保持了PLA树脂的可降解性、生物相容性，又提高其物理力学性能、改善了PLA的韧性和对塑料各种成型工艺的适应性，尤其是降低了PLA成本，为植物秸秆的高价值再利用提供了路径，对缓解化石能源危机和生态环境具有重要的意义。在实际应用中应综合考虑成本及对环境的影响，选用适当的植物纤维种类和表面处理方法，为难处理的、严重困扰农业生产和环境保护的植物纤维(如小麦、玉米等秸秆)开发更多的应用途径。