木纤维／聚乳酸可生物降解复合材料的制备和性能研究

1、木纤维聚乳酸可生物降解复合材料的制备和性能研究第32卷第1期2012年1月中南林业科技大学JournalofCentralSouthUniversityofForestry&Technology,o1.32No.1Jan2012木纤维/聚乳酸可生物降解复合材料的制备和性能研究吴义强,李新功,秦志永,卿彦,罗莎(1.中南林业科技大学材料科学与工程学院,湖南长沙410004;2竹业湖南省工程研究中心,湖南长沙410004)摘要:采用注射成型工艺制备了木纤维/聚乳酸生物可降解复合材料,探讨了改性剂种类,用量以及纤维质量分数对复合材料力学性能的影响.结果表明,采用8%碱和3%硅烷偶联剂

2、对木纤维表面进行改性处理均可以显着改善复合材料的力学性能,其中,8%碱+3%硅烷偶联剂协同改性处理效果最好,制备的复合材料力学性能最优;木纤维质量分数为30%,复合材料的力学强度最大.关键词:木纤维;聚乳酸;改性处理;力学性能中图分类号:$784:TS653.6文献标志码:A文章编号:1673.923X(2012)010100.04Studyonfabricationandpropertiesofwoodfiber/polylacticacidbiOdegradablecompositesWUYi-qiang,LIXingong,QrNZhi-yong.,QINGYah,LUOShaI(1.S

3、choolofMaterialsScienceandEngneering,CentralSouthUniversityofForestry&Technology,Changsha410004,Hunan,China;2.HunanProvincialEngineeringResearchCenterofBambooIndustry,Changsha410004,Hunan,China)Abstract:Thebiodegradablecompositesmaterialsmadefromwoodfiberandpolylacticacidwaspreparedutilizing

4、mixinginjectionmoldingprocess.Theeffectsofmodificationtypeandamountandwoodfibermassfractiononmechanicalpropertiesofcompositesmaterialswerediscussed.Theresultsshowthatbyusing8%alkalitreatmentand3%silanecouplingagenttreatment.mechanicalpropertiesofcompositematerialsweresignificantlyimproved,andbyusing

5、8%alkalitreatmentand3%silanecouplingagenttreatment,theoutcomeachivedthebesteffect,themechanicalpropertiesofcompositesmaterialsWerealsothebestThewoodfibermassfractionWas30%,themechanicalsUengthwasthelargest.Keywords:woodfiber;poly-lacticacid;modificationtreatment;mechanicalproperties随着社会经济高速发展与人类文明的进

6、步,在满足自身基本需要的同时,人们越来越注重与生态,环境的和谐统一,生物可降解复合材料就是在这种背景下产生的众多绿色材料之一Iv2.生物可降解复合材料是以木纤维【3】,竹纤维,亚麻纤维,洋麻纤维,黄麻纤维,椰壳纤维5-9谷壳纤维和甘蔗渣纤维【6等可再生的天然植物纤维为增强材料,以聚羟基丁酯(Pi-m),聚丁二酸丁二醇酯(PBS),聚乳酸(PLA)p_10等生物可降解树脂为基体,经模压,注射或挤压等成型工艺制备而成.该材料不仅具有较好的力学强度,而且在自然或特定条件下能够降解生成CO:和H20,不会给环境带来任何污染2-4o材料广泛应用于汽车内部装饰件,建筑结构部件及室内装修材料等领域.但是,天

7、然植物纤维表面为极性,而可降解塑料表面为非极性,二者界面相容性差,黏结力差,应力在复合材料界面不能有效地传收稿日期:2011.12.09基金项目:国家林业局948项目(2009.4.51);湖南省教育厅高校产业化培育项目(11CY027):中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助项目作者简介:吴义强(1967_),男,河南固始人,教授,博士,博士生导师,主要从事木材材性,木材功能性改良,生物质复合材料方面的研究;E-mail:wuyiqiangcsufteducn第32卷中南林业科技大学l01递,从而影响复合材料的力学性能5-7o因此,在制备天然植物/生物可降解塑料复合材料时必须对天然植

8、物纤维和可降解塑料界面进行调控,改善两者界面相容性8-10o本研究以改性木纤维为增强材料,聚乳酸为基体制备天然植物纤维增强生物可降解复合材料.研究改性剂的种类,用量以及木纤维质量分数对复合材料力学性能的影响,为天然植物纤维增强可生物降解复合材料的发展提供一定的理论依据和技术支撑.1材料与方法1.1实验材料杨木纤维,自制,平均长度3060目;聚乳酸(PLA),注塑级,白色透明颗粒,相对分子量2×l0,熔点120,深圳光华伟业实业公司;硅烷偶联剂KH560,分析纯,湖南汇虹试剂有限公司;NaOH,(化学纯)天津市鑫泰盛源化工有限公司;正己烷(分析纯),天津市大茂化学试剂厂.1.2复合材料

9、制备将木纤维放入浓度分别为2%,4%,6%,8%,10%和l2%的NaOH水溶液(浴比为1:20)中常温下浸泡24h后,用滤网分离出木纤维并用自来水反复冲洗至中性,然后送入真空干燥箱内在80的温度下干燥8h.称取一定量的硅烷偶联剂溶于适量的正己烷,然后将木纤维浸入硅烷偶联剂正己烷溶液中处理,硅烷偶联剂用量为绝干木纤维的3%.室温静置,待正己烷挥发后,送入真空干燥箱内干燥备用.将用真空干燥箱在8O下干燥8h后的聚乳酸(PLA)和木纤维送入开放式混炼机中在160下混炼10ram(木纤维质量分数分别为0,10%,20%,30%和40%),得到片状混合物,再将片状混合物送到强力塑料粉碎机破碎成颗粒.然

10、后将颗粒状混合物料用注塑成型机制成标准样条.成型工艺参数:料筒温度150l70,注射压力8MPa,保压时间20S.l-3性能测试和表征1.3.1力学性能测试复合材料标准样条在万能力学试验机及冲击强度试验机上分别进行拉伸强度和冲击强度测试,拉伸强度和冲击强度测试按照GB/T1040.12006进行.相同条件下每个试样至少重复5次,取平均值.1.3.2电镜观察利用扫描电镜观察纤维表面形态,分析改性处理对纤维表面性状的影响.2结果与讨论2.1纤维质量分数对复合材料力学性能的影响图l为纤维质量分数对复合材料力学性能影响图.由图l可以看出,可生物降解复合材料的拉伸强度和冲击强度随着纤维质量分数的增加,呈

11、现先降低后升高再降低的趋势.当纤维质量分数较低时,作为增强材料的木纤维在复合材料中不能充分发挥足够的增强作用,而外部载荷几乎完全由PLA基体来承受,因此降低了PLA基体本身的拉伸性能;随着纤维添加量的不断增加,增强纤维和PLA基体比例逐渐达到合适状态,此时PLA基体能够很好且有效地包裹木纤维,纤维在PLA中均匀分布并互相交织,形成了网状交织互锁结构,这种结构能够均匀的承受外界载荷,木纤维能够充分发挥增强作用,所以复合材料的拉伸性能在这个阶段呈现逐渐上升的趋势;当木纤维的质量分数为3O%时复合材料的拉伸性能最好,纤维质量分数的继续增大,木纤维不能完全有效地被PLA基体包裹,进而降低了基体和增强纤

12、维之问的界面结合几率及结合强度”.此外,由于纤维含量过高,在混炼过程中木纤维不能均匀分散在PLA中,产生纤维聚集现象,导致复合材料的应力集中,产生缺陷的几率增大【1.656O55硝5O45燃馨4o辍353025200l020304050纤维质鼹分/%+拉伸强度+冲击强度g髓髓怊量图1纤维质量分数对材料力学性能的影响Fig.1EffectoffibermassfractionOHmechanicalpropertiesofcompositematerials102吴义强,等:木纤维/聚乳酸可生物降解复合材料制备和性能研究2.2碱处理对复合材料力学性能的影响图2为不同浓度碱溶液对复合材料力学性能影

13、响图.由图2可见,随着NaOH溶液浓度的增大,复合材料的拉伸强度和冲击强度逐渐增大,浓度为8%时达到最大值.这是因为一定浓度的NaOH溶液可以去除木纤维中半纤维素,木纤维相对结晶度降低.图3为碱处理前后木纤维的表面形态图.从图3可以看出,未经碱处理的木纤维表面光滑,而经过8%碱处理后的木纤维表面变得粗糙,出现了很多的浅沟槽,因而增大了木纤维及PLA接合面及机械结合力.另外,经8%碱处理后木纤维被细化,直径减小,长径比增加,纤维自身强度增大,也有助于改善复合材料力学性能13-14.同时,木纤维经8%Na0H溶液处理后,其表面的油,灰分等杂质被清除,也改善了木纤维与PLA之间的界面黏合效果.当Na

14、OH溶液浓度超过8%时,复合材料的拉伸强度和冲击强度就开始减小.其原因是NaOH溶液浓度过高(超过8%)可能会使木纤维的结晶区结构产生破坏,导致增强木纤维自身强度下降.碱溶液浓度/%+托伸强度_冲击强艘图2木纤维的热重分析Fig.2TGAofwoodfiber2_3不同改性处理对复合材料力学性能的影响图4显示了不同方法改性处理对复合材料拉伸强度和冲击强度影响.经过8%碱处理,3%硅烷偶联剂处理以及8%碱+3%硅烷偶联剂共同处理后,复合材料拉伸强度和冲击强度都有了不同程度的提高.经过3%硅烷偶联剂改性处理以及8%碱a未处理b8%碱处理图3纤维碱处理前后的木纤维表面形态Fig.3Fibershap

15、eoffore-and?-aftalkalitreatml7O60懵5O40越霎302O10O纯PLA来处理碱处理偶联剂碱4(a)纯PLA米处理碱处理偶联荆碱一4(b)图4不同改性处理的复合材料力学性能Fig.4Mechanicalpropertiesofwoodfiberbydifferentmodifiedtreatment+3%硅烷偶联剂共同处理后的复合材料均高于改性处理前复合材料拉伸性能,8%硅烷偶联剂共同处理后的复合材料力学性经3%硅烷偶联剂改性处理后木纤维复合材料力学性能提高,其原因是3%硅的分子里含有两种不同反应基团,即无初反应基团.有机基团可以与PLA树脂结含固的化学键,无机基

16、团可以水解生成硅醣醇可以和天然木纤维表面的羟基反应,生42O86420一glf烈带受第32卷中南林业科技大学103结构并脱水,形成牢固的化学键,硅烷偶联剂在PLA于木纤维之间起到了桥梁和纽带作用.经过8%碱+硅烷偶联剂偶联剂共同改性处理后,复合材料综合力学性能最好是因为碱处理和硅烷偶联剂产生协同效应的结果.3结论(1)复合材料拉伸强度和冲击强度随着木纤维质量分数的增加呈现先增大后减小的趋势,木纤维的质量分数为30%时材料的拉伸强度和冲击强度最大.(2)随着NaOH溶液浓度的增大,复合材料的拉伸强度和冲击强度先增大后减小,浓度为8%时复合材料的拉伸强度和冲击强度达到最大值.(3)木纤维经8%碱液

17、,3%偶联剂以及8%碱液+3%偶联剂协同改性处理后,复合材料的力学性能都有所提高,其中木纤维经8%碱液+3%偶联剂协同处理后的复合材料力学性能最好.参考文献:【1】郭文静,王正,鲍甫成,等.天然植物纤维/可生物降解塑料生物质复合材料研究现状与发展趋势【J1.林业科学,2008,44(1):157163.曹勇,合田公一,陈鹤梅.绿色复合材料的研究进展J】.材料研究,2007,21(2):119.120吴人洁.复合材料【M.天津:天津大学出版社,2000:385-386.戈进杰.生物降解高分子材料及其应用【M】.北京:化学工业出版社,2002:284.294.蔺艳琴,李树.聚丙烯/木纤维复合材料增

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