楊 艷， 徐書琳， 杜德焰， 朱永晨， 張 銳， 龍劍英

（南京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210037）

聚乳酸（PLA）是一種生物相容性較好的可完全降解生物基聚酯，可回收循環(huán)利用，被認(rèn)為是最有前途的生物聚合物，有望在各種應(yīng)用中取代傳統(tǒng)塑料，但存在價格較貴、脆性大、加工性能較差等缺點[1-4]。天然植物纖維（NR）來源廣泛、價格低廉、環(huán)境無害、可再生，用其制作復(fù)合材料，可以降低生產(chǎn)成本等[5-8]。

以NR為增強(qiáng)材料，以PLA等可降解聚合物為基體，通過共混、擠出、注塑等工藝可以制備能完全降解的環(huán)境友好型材料，此舉對資源利用和環(huán)境保護(hù)意義重大，因而，其研究得到了廣泛的關(guān)注。國外對這方面的研究起步較早，其中澳大利亞的Wollerdorfer和德國的Bader，曾用麻纖維和多糖類纖維素復(fù)合制備出生物質(zhì)復(fù)合材料（BBC），它可被用于汽車部件、裝飾裝修、包裝等眾多領(lǐng)域[9]。國內(nèi)研究雖然起步較晚，但近年來也得到了較高的關(guān)注。比如，焦艷霞等[10]采用3D打印工藝制備了SSF/PLA和水稻秸稈粉/PLA兩種BBC，并對材料的力學(xué)性能和水熱老化性能進(jìn)行了對比研究。董麗莉等[11]同樣采用3D打印工藝制作了豌豆秸稈粉增強(qiáng)PLA復(fù)合材料，并研究了其性能。王哲等[12]研究了麥秸稈纖維/PLA復(fù)合材料的力學(xué)及吸水性能，發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑KH550處理有利于改善PLA與麥秸稈纖維之間的界面相容性。葛正浩等針對PLA/PBS/秸稈粉三元復(fù)合材料樣條，探討了最佳注塑成型工藝為注射溫度為178℃、注射壓力為5 MPa、注射速度為45%時，此時所得BBC具有最小的密度和最佳的表觀質(zhì)量及力學(xué)性能[13]。

為了探討更多的PLA基生物質(zhì)復(fù)合材料的性能，本文采用菠蘿葉纖維粉（PALF）、芝麻秸稈粉（SF）、玉米秸稈粉（CF）及甘蔗渣粉（BF）等四種NR粉作為增強(qiáng)體，PLA作為基體制作新型的綠色BBC，對它們的力學(xué)性能進(jìn)行對比研究，并以 PALF/PLA復(fù)合材料（PALF/PLA-CM）為例，研究了材料的斷裂特性，旨在為BBC的發(fā)展及有效解決農(nóng)業(yè)秸稈廢棄的資源問題提供一定的參考。

1 實驗

1.1 實驗原料

聚乳酸（PLA）：3052D，美國NatureWork公司；PALF，自制，菠蘿葉為巴厘品種，取自廣東省徐聞縣；SF，自制，芝麻秸稈取自安徽省來安縣；CF，自制，玉米秸稈取自江蘇省南京市江寧區(qū)；BF，自制，甘蔗渣取自江蘇省南京市。

1.2 試樣制備

將PLA、NR粉干燥后，按照PLA重量的10%、20%、30%及40%分別稱取NR粉，然后與PLA混合均勻，采用雙螺桿擠出機(jī)（SHJ-20B，南京杰恩特有限公司）擠出造粒，擠出溫度為135～143℃，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min。將粒料干燥后，使用注塑機(jī)（CWI-90BV，上海紀(jì)威機(jī)械工業(yè)有限公司）注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條，注塑溫度為155～178℃，注塑壓力為70 MPa，同時注塑純PLA樣條，注塑完成后立即將樣條放入80℃烘箱中恒溫30 min，進(jìn)行退火處理。采用類似方法制備純PLA樣條。

1.3 性能測試

1.3.1 力學(xué)性能

采用電子萬能試驗機(jī)（E44.304，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司），根據(jù)ASTM D 638-2010測定拉伸性能，拉伸速率50 mm/min，每組測試5根樣條，取平均值；根據(jù)ASTM D 790-2010測定彎曲性能，彎曲速率為5 mm/min，跨距80 mm，每組測試5根樣條，取平均值。

采用擺錘沖擊試驗機(jī)（XJC-25D，承德精密試驗機(jī)有限公司），根據(jù)GB/T 1043.1-2008測定沖擊強(qiáng)度，沖擊能量7.5 J，沖擊速度3.8 m/s，每組測試5根樣條，取平均值。

1.3.2 斷面形貌

運(yùn)用高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SU8010，日本HITACHI公司）對復(fù)合材料的微觀斷面形貌進(jìn)行觀察，觀測之前對試樣的觀測面進(jìn)行噴金處理，掃描電鏡加載電壓為3 KV。

圖1 植物纖維粉用量對復(fù)合材料拉伸性能的影響

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

圖1為不同種類NR粉、不同添加量時BBC的拉伸強(qiáng)度（TS）實驗結(jié)果。

由圖1可以看出，四種NR粉的加入均導(dǎo)致PLA的TS下降，且隨著NR粉用量的增加，TS下降的幅度越大，該結(jié)論與許多文獻(xiàn)[14-16]報道的其它NR/聚合物復(fù)合材料的實驗結(jié)果相似。當(dāng)NR粉用量達(dá)到40%時，PALF/PLA、CF/PLA、SF/PLA及 BF/PLA四種復(fù)合材料的TS分別降至19.76、35.46、33.06和23.19 MPa，較純PLA下降了61.16%、30.30%、35.02%和54.42%。另外，對比分析不同NR粉/PLA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)PALF/PLA及BF/PLA復(fù)合材料的下降趨勢比另兩種更加明顯，特別是PALF/PLA，在任一相同添加量的情況下，其TS始終低于另三種復(fù)合材料。

2.2 彎曲性能

圖2為四種復(fù)合材料彎曲性能隨NR粉用量的增加而改變的情況。由圖2a可以看出，隨著NR粉用量的增加，除了PALF/PLA外，其它三種復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度（FS）隨NR添加量的變化趨勢同TS，其中以BF/PLA的變化最為明顯；彎曲模量（FM）方面，CF/PLA和SF/PLA的FM均單調(diào)增加，當(dāng)NR添加量為40%時，分別為4357.43和4 299.56 MPa，較純PLA提高了74.15%和71.84%；BF/PLA復(fù)合材料的彎曲模量在BF用量達(dá)10%時最大，為28.51 MPa，而PALF/PLA復(fù)合材料的彎曲模量變化趨勢較為復(fù)雜，先增后減，然后又繼續(xù)增加。在實際實驗過程中，PALF很難像其它三種植物纖維那樣加工成粉狀，其呈現(xiàn)為蓬松的須狀結(jié)構(gòu)，形狀較為復(fù)雜，嚴(yán)重影響其與PLA共混后的分散均勻性，從而導(dǎo)致其彎曲性能隨用量變化而呈現(xiàn)出來的復(fù)雜性。

圖2 植物纖維粉用量對復(fù)合材料彎曲性能的影響

2.3 沖擊性能

圖3 為不同復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨植物纖維粉用量的增加而變化的情況。由圖3可以看出，純PLA的沖擊強(qiáng)度為2.77 kJ/m2，與文獻(xiàn)[17]報道的基本接近。隨著植物纖維粉用量的增加，CF/PLA、SF/PLA和BF/PLA的沖擊強(qiáng)度均先增加，當(dāng)植物纖維粉用量為10%時，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到 3.67 kJ/m2、3.68 kJ/m2和3.94 kJ/m2，較純 PLA分別提高了 32.49%、32.85%和42.24%，之后隨著含量的增加而逐漸降低。分析其原因，當(dāng)PLA中添加少量CF、SF或BF后，CF、SF或BF在PLA中分散，在纖維粉和樹脂結(jié)題間產(chǎn)生許多新的界面，該界面在復(fù)合材料受到?jīng)_擊而斷裂的過程中，可吸收部分沖擊能，從而提高了材料的沖擊強(qiáng)度。但當(dāng)植物纖維粉用量較大后，纖維粉之間產(chǎn)生團(tuán)聚，在PLA中分散均勻性下降，缺陷增加，當(dāng)發(fā)生撞擊時，雖然可吸收少量沖擊能，但同時會引發(fā)裂紋擴(kuò)展，加劇了破壞過程，此時沖擊強(qiáng)度反而會降低。

圖3 植物纖維粉用量對復(fù)合材料沖擊性能的影響

與另三種植物纖維粉/PLA不同，隨著PALF用量的增加，PALF/PLA復(fù)合材料的沖擊性能始終保持逐漸增加的趨勢，雖然前期階段，特別是添加量為10%時，其沖擊強(qiáng)度僅為3.23 kJ/m2，分別較CF/PLA、SF/PLA和BF/PLA的沖擊強(qiáng)度低11.99%、12.23%和18.02%，但當(dāng)添加量為40%（wt）時，PALF/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度卻達(dá)到3.47 kJ/m2，較純PLA增加了25.27%，此時反而成為四種復(fù)合材料中最高者，比CF/PLA、SF/PLA和BF/PLA的沖擊強(qiáng)度分別高出0.58%、7.76%和9.12%。之所以出現(xiàn)這種反?，F(xiàn)象，原因可能仍然是由于PALF與另三種植物纖維粉微觀狀態(tài)的不同，蓬松須狀的PALF纖維可有效阻止沖擊過程中裂紋的擴(kuò)展，從而提高復(fù)合材料的抗沖擊性。

2.4 斷裂特性

從上述力學(xué)性能實驗結(jié)果可以看出，PALF/PLA復(fù)合材料表現(xiàn)出來的變化規(guī)律與另三種具有較明顯的差別，因此，本文選用PALF/PLA復(fù)合材料為研究對象，對其斷裂特性進(jìn)行分析，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 PALF/PLA復(fù)合材料拉伸斷裂的實驗結(jié)果

圖6 a表明，PALF/PLA復(fù)合材料的斷裂伸長率雖然因PALF含量的不同而有所差別，但均較小，最大僅為4.80%，和文獻(xiàn)[18]報道的中藥渣/PLA復(fù)合材料的斷裂伸長率基本接近。圖4b的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中無屈服點，而圖4c的SEM照片顯示，斷裂面較為光潔，無纖維拔出。上述所有特征表明，PALF/PLA復(fù)合材料的斷裂屬于典型的脆性斷裂[19-20]，文獻(xiàn)[17]報道純PLA的斷裂也為脆性斷裂，說明PALF的加入沒有改變材料的斷裂特性。

3 結(jié)論

1）PALF、CF、SF及BF四種纖維的加入均會使得PLA的拉伸強(qiáng)度下降，且隨著植物纖維粉用量的增加，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。PALF/PLA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度低于相同配比條件下其它三種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

2）隨著植物纖維粉用量的增加，CF/PLA和SF/PLA的彎曲模量均單調(diào)增加，BF/PLA復(fù)合材料的彎曲模量在BF用量達(dá)20%時最大，而PALF/PLA復(fù)合材料的彎曲模量變化趨勢較為復(fù)雜。

3）隨著植物纖維粉用量的增加，CF/PLA、SF/PLA和BF/PLA的沖擊強(qiáng)度先增加后減小，PALF/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度單調(diào)增加。

4）PALF/PLA復(fù)合材料的斷裂屬于典型的脆性斷裂。