分析聚乳酸//麦秸秆纤维复合材料力学及吸水性能

2022-07-14王丽伟卢碧芸

现代农业研究 2022年7期

张瑾，王丽伟，王川，卢碧芸，王伟

（安徽省农业科学院农业工程研究所安徽，合肥 230001）

近年来，由于填埋场回收率低、处理不得当等原因，造成了生态环境的污染，导致生活及农艺中塑料使用量的增加被称为“白色污染”。聚乳酸是近年来备受关注的一种环保可降解材料，其机械性能高、塑性好、易加工成型等特点，目前已被广泛应用于医疗、包装、3D打印等行业。本文采用KH550 为基材，以WSF 和PLA 为原料，使用熔融手段制作了PLA/WSF复合材料，进而研究WSF在基体中的含量对复合材料各个方面的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料的准备

美国NatureWorks 公司PLA，3001；青岛拓海碘制品有限公司，无水乙醇（PEG）；上海莼试生物技术有限公司KH550，CS-01；安徽省农业科学试验田，WSF，250μm。

1.2 实验设备

粉碎机器：高速粉碎机摇摆式，无锡久平仪器有限公司；哈普流变仪：RM-200B 洛阳市谱瑞慷达耐热测试设备有限公司；数显式恒温水浴锅，常州市第一纺织设备有限公司；双筒开炼机，东莞市众诚精密仪器有限公司；微型计算机控制电子万能级测试机，济南恒思盛大仪器有限公司；简支梁冲击试验机，承德市精密试验机有限公司；热压机，青岛永润发机械科技有限公司；电子天平，FA1004，上海良平仪器仪表有限公司；压片机，FW-4 弗尔德（上海）仪器设备有限公司；傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），杭州谱镭光电技术有限公司；扫描电子显微镜（SEM），北京欧波同光学技术有限公司。

1.3 复合材料的制备

在恒温实验室下把PLA 和WSF 用水浸泡，24 小时后再进行物理清洗，之后再放入烘箱内进行干燥处理，12小时后，再用5%NaOH 配置KH550 偶联剂喷洒在PAL 和WSF 表面，再次进行烘干，用粉碎机粉碎，挑选出200 到300g，在加入适量的醋酸进行中性处理，48小时后放入烘箱中进行处理，烘干时间为12 小时，温度120℃。之后再把PAL 和WSF 分别制作5 个实验样品，其中一个为无添加物的纯粹PAL/WSF 实验样品，其余的分别按照不同的比例进行制作（具体如表1），在热压机温度为150℃，将混合产物破碎后放入预制好的模具中进行压片，制成哑铃状。

表1 制作PAL//WSF复合材料组成比

1.4 性能测试与结构表征

采用FTIR法对WSF的溴化钾压片进行扫描分析，波数为8000～400cm，扫描次数为128 次；拉伸性能测试采用GB/T1447—2020；测试结果速率为4mm/s，抗冲击速度为7mm/s，冲击吸水速度为4mm/s；以上试验均在室温下进行，每次试验均取均值7mm/s，吸水速度为4mm/s，在浸水前，先将试件干燥，然后将试件置于真空环境中进行SEM分析；切削试验，以GB/T1462—2020为基准，在浸水环境中进行。

2 实验结果

2.1 符合材料力学性能

用PLA/WSF 合成的复合材料的断裂伸长率和WSF含量的多少有关，WSF 含量越多复合材料的断裂伸长率越低，对于复合材料整体来说其作用还是很小的，主要是受到复合材料及其组成材料的脆性断裂影响，由此可知WSF 对复合材料断裂伸长率影响很小。其主要原因是：（1）聚乳酸基体本身也是脆性断裂，断裂伸长率非常低，尤其是3001 型聚乳酸基体在本次实验中的应用较少。（2）WSF 与PLA 在哈克流变测试仪上共混，但在加热时WSF会聚集在一起，容易产生应力集中和缺陷，使得机械性能较差。（3）WSF与PLA之间界面粘结不良的主要原因是PLA与WSF界面仅为机械粘结，基体与WSF的界面无化学粘结。（4）WSF 本身的断裂伸长率较低，可能会影响到材料的断裂伸长率。

2.2 复合材料断面分析

界面是决定复合材料断面的重要因素，他是基体和WSF的连接点，其结构十分复杂，能影响复合材料的强度和断裂拉伸力。在PAL/WSF 复合材料断裂的SEM 图片中，WSF 分布在PLA 基体中，但是界面较为明显，对复合材料的力学性能造成一定程度的影响。一般情况下短纤维会破坏基体，因为短纤维能使基体变形从而使长纤维脱离基体，使纤维在基体中断裂。通过上述实验可知WSF 与 PLA 之间是弱界面粘结性，WSF 经过 KH550 的处理有效地改善了PAL和WSF之间的界面相容性。

2.3 硅偶联剂对WSF改性的红外光谱分析

WSF 在3170～3430cm波段上有较宽的羟基伸缩振动峰；经KH550 偶联剂改性处理后，WSF 由于KH550 氨丙基团与WSF 中的羟基反应产生氢键而使WSF 的羟基强度下降，而在WSF 的 FTIR 处无KH550 特征峰，表明KH550 和 WSF 在 2890cm和 2967cm处无氨基生成，从而导致PAL 在WSF 的作用下，羟基伸缩振动峰减弱；PAL在WSF的作用下，在Si-OH的作用下，KH550成功地接枝于WSF。

2.4 复合材料的吸水性能

在WSF 含量为5%时，与未处理WSF 相比，偶联剂KH550 改性后WSF 的吸水性能反而提高。这些能量来自WSF 的聚集现象，即WSF 与基质的连接不够紧密，使得水分子很容易进入材料内部。与未处理的WSF相比，KH550 偶联剂改性后WSF 的吸水率随着WSF 加入量的增加而明显下降，KH550 偶联剂改性后WSF 的吸水率也明显下降。以KH550 为偶联剂改性WSF 可有效地改善WSF与PLA的界面相容性，使吸水性较强的WSF部分被疏水性较强的PLA包裹，使WSF与偶联剂乙氧基水解后的Si-OH基团反应生成氢键，从而减少了WSF表面羟基与水形成氢键的机会，降低了复合材料的吸水率。