纤维填充量对菠萝叶纤维/热塑性淀粉复合材料性能的影响

2022-10-03刘雅奇刘运浩李普旺王超宋书会何祖宇周闯杨子明

应用化工 2022年8期

刘雅奇，刘运浩，李普旺，王超，宋书会，何祖宇，周闯，杨子明

(1.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，广东湛江 524091；2.华中农业大学食品科技学院，湖北武汉 430070)

目前，社会环保意识的提高大大促进了生物可降解材料的研究与开发，热塑性淀粉(TPS)因其丰富、成本低而备受关注。TPS具有热塑性，并且价格低廉，降解速率快，但与合成塑料相比，TPS存在力学和热性能较差、对水分的敏感性明显等缺点[1-2]。热塑性淀粉的力学性能差限制了其在复合材料领域的应用[3-6]。天然纤维来源广泛，价格便宜，可自然降解，具有较高的力学性能和环境友好性[7]。加入玉米秸秆纤维、黄麻纤维、甘蔗渣、麦秸纤维等可进一步改善TPS的性能[8-13]。本文采用热压成型法制备菠萝叶纤维增强热塑性淀粉复合材料，探讨不同纤维填充量的菠萝叶纤维对复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

菠萝叶，来自本地湛江田间；瓜尔豆胶由上海源叶生物科技有限公司提供；双醛淀粉、硬脂酸(麦克林)、甘油、无水乙醇均为分析纯；营养土，购于沈阳花诺生物科技有限公司。

FZ102微型植物试样粉碎机；8411电动振筛机；DLO-100高速多功能粉碎机；ZG-DR-76精密开炼机；PBLH-25平板硫化机；YF8101手动冲片机；UTM6503电子万能试验机；S4800扫描电子显微镜。

1.2 实验方法

首先，将烘干后的菠萝叶剪成10～20 mm的小段，利用微型植物粉碎机将菠萝叶进行粉碎，再进行30目筛分处理，得到平均长度为0.6 mm的菠萝叶纤维。热塑性淀粉的制备：参照已报道的研究[10]，将得到的块状热塑性淀粉剪成适宜大小投入高速粉碎机中粉碎，粉碎后装袋密封备用。

将热塑性淀粉、菠萝叶纤维、硬脂酸、瓜尔豆胶按一定的比例称量，在高速粉碎机内搅拌混合均匀，以重量比计算，菠萝叶纤维填充量为10%，15%，20%，25%，30%，未加菠萝叶纤维的复合材料作为对照样，采用平板硫化机进行热压成型，热压工艺条件设定为温度110 ℃，压力为14 MPa，时间为30 min，待模具冷却后脱模得到复合材料。制备复合材料的原料和作用见表1。

表1 复合材料制备所需原料Table 1 Raw materials required for preparation of composite

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

由图1可知，随着纤维填充量的增加，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率都呈现先增加然后逐渐减少的趋势。在纤维填充量为15%时，拉伸强度及断裂伸长率都及最佳，分别为7.4 MPa，1.25%，通过与未添加菠萝叶纤维的热塑性淀粉基复合材料对比，拉伸强度及断裂伸长率都分别增加了35.14%，32.80%；实验发现，菠萝叶纤维的加入有助于增强热塑性淀粉基复合材料的拉伸性能。随着纤维填充量的增加，菠萝叶纤维起到的增强作用越强；然而，当菠萝叶纤维填充量达到一定的程度(填充量大于15%)后，在复合材料体系中基体材料的占比相对减少，热塑性淀粉不能很好地将菠萝叶纤维完全包裹起来，影响了基体材料的整体性，从而导致拉伸性能出现了下降的趋势[11-12]。

图1 不同纤维填充量菠萝叶纤维/热塑性淀粉复合材料的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

2.2 弯曲性能

由图2可知，随着菠萝叶纤维填充量的不断增加，复合材料的弯曲性能呈现总体增加的趋势。当菠萝叶纤维填充量为20%时，复合材料的弯曲强度最佳，为13.18 MPa，弯曲模量为2 245.54 MPa，相较于未添加菠萝叶纤维的复合材料，弯曲强度和弯曲模量分别提高了49.09%，63.84%。由此说明，菠萝叶纤维的加入对提高热塑性淀粉基复合材料的弯曲性能起着很大的作用。实验发现，当菠萝叶纤维填充量为30%时，弯曲强度出现了下降，但也较未添加菠萝叶纤维的复合材料弯曲强度有所增加。在热塑性淀粉复合材料体系中，菠萝叶纤维占比较多，有可能会导致纤维在基体中分散不均匀、容易发生聚集，对热塑性淀粉基体的增强作用下降，而且菠萝叶纤维与热塑性淀粉基体之间的粘结力变差，从而导致弯曲性能的下降[13-14]。

图2 不同纤维填充量菠萝叶纤维/热塑性淀粉复合材料的弯曲性能Fig.2 Flexural properties of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

2.3 密度

图3为不同纤维填充量菠萝叶纤维/热塑性淀粉的密度。

由图3可知，随着菠萝叶纤维填充量的增加，复合材料的密度呈现逐渐减少的趋势。在菠萝叶纤维填充量为15%时，复合材料的密度为1.39 g/cm3，相比纤维填充量为10%时降低了5.44%。对于菠萝叶纤维增强热塑性淀粉复合材料体系而言，菠萝叶纤维填充量增加意味着在复合材料体系中所占体积也越大，热塑性淀粉占比随之减少。在复合材料体系总质量不变的情况下，在热压模具内，菠萝叶纤维填充量越多，复合材料所占的体积也就越大[15]，其密度则逐渐降低。

图3 不同纤维填充量菠萝叶纤维/热塑性淀粉复合材料的密度Fig.3 Density of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

2.4 含水率

对复合材料的含水率进行了测试分析，结果见图4。

图4 不同纤维填充量菠萝叶纤维/热塑性淀粉复合材料的含水率Fig.4 Water content of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

由图4可知，随着纤维填充量的增加，复合材料的含水率逐渐增加。当纤维填充量为30%时，复合材料的含水率为8.43%，比未添加纤维时增加了66.55%。这可能是因为随着纤维填充量的增加，复合材料中菠萝叶纤维的占比逐渐增加，在复合材料成型过程中菠萝叶纤维随机分布在复合材料基体内部，而占比减少的热塑性淀粉不能完全地包裹在纤维表面，导致复合材料内部及表面都很容易出现空隙，进而使得复合材料容易吸收空气的水分，其含水率逐渐增加。

2.5 表面及断面形貌

为了研究菠萝叶纤维在热塑性淀粉基体中的分布形态，通过SEM观察复合材料的微观形貌，图5a、5b为纤维填充量为15%时复合材料的表面及断面形貌，图5c、5d为纤维填充量为25%时复合材料的表面及断面形貌。

图5 不同纤维填充量菠萝叶纤维/热塑性淀粉复合材料的表面及断面形貌Fig.5 Surface and section morphologies of pineapple leaf fiber/thermoplastic starch composite with different fiber fillings

由图5a可知，当纤维填充量为15%时，复合材料表面较为光滑平整，突起少，说明菠萝叶纤维与热塑性淀粉结合紧密，形成了致密的表面。而通过对比观察图5c可知，当纤维添加量增加后，复合材料表面变得不平整，突起明显增多；而且通过观察断面图(图5d)也可以进一步发现，纤维含量明显较多，且更容易聚集在一起，这就很容易使得在热塑性淀粉将聚集在一起的纤维包裹后，内部的纤维并不能与热塑性淀粉有很好的结合，所以会导致力学性能的增强作用不佳[16]。通过观察纤维填充量为15%复合材料的断面结构(图5b)，可以看出纤维分布较均匀，且均能被热塑性淀粉基体及其他组分完全包裹，有利于提高复合材料的力学性能。

2.6 土壤降解性能

为研究纤维填充量对复合材料降解性能的影响，将不同纤维填充量的复合材料置于常规土壤和酵母菌土壤环境下，定期取出记录失重率。不同纤维填充量的复合材料在常规土壤降解的条件下的失重率见图6。

由图6a可知，复合材料的失重率随着降解时间的延长而逐渐增大[17]。复合材料的降解率与纤维填充之间的关系呈现正比关系，这可说明纤维填充的多少是影响复合材料降解速率的主要因素之一，这与陈杰的研究结果一致[18]。其中当纤维填充量为30%时，复合材料的降解速率最快，在35 d时失重率可达到37.25%。将图6b与图6a对比可知，不管在酵母菌土壤环境下还是常规土壤环境下，复合材料的失重率变化规律都大致相同，然而由于酵母菌的存在，复合材料的降解率都要高于常规土壤环境下的降解率。