原创《木纤维含量对注塑成型木纤维/聚乳酸复合材料性能的影响》
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摘 要： 利用注塑成型的工艺方式制备木纤维/聚乳酸（PLA）复合材料,研究了较高木纤维含量对木纤维/PLA复合材料力学性能的影响.研究发现,木纤维的加入对复合材料体系的力学性能有显著的影响.加入木纤维后,复合材料的弯曲强度和拉伸强度都有微小的降低,弹性模量和拉伸模量有显著提高；但随着加入木纤维含量的提高,复合材料体系弯曲强度和拉伸强度会有所回升.
关键词： 木纤维； 聚乳酸； 注塑成型； 力学性能； 纤维含量
中图分类号： S 781. 7, TS 653
文献标识码： A
聚乳酸（PLA）是一种可以在植物淀粉中提取原料的塑料制品,具有高强度、可再生、可降解、易加工等优良特性,是替代现有石油基塑料的理想材料[ 1 ].然而聚乳酸材料的相对较高,且不能长时间高温加工,在一定程度上限制了它的发展和应用[ 2 - 3 ].因此,相对加工过程较短、成型速度较快的注塑工艺,更适合聚乳酸材料的加工.将木纤维与聚乳酸复合,可以大大降低材料的成本,同时还能提高材料的某些性能[ 4 ] .
本研究通过杨木纤维与聚乳酸进行复合,采用注塑工艺,制备高纤维含量的木纤维/PLA复合材料,并探讨不同木纤维含量对复合材料弯曲性能和拉伸性能的影响.
1 试验材料与方法
1. 1 材料及仪器
木材纤维：杨木纤维,40～80目, 取自黑龙江省拜泉县.
聚乳酸：美国NatureWorks公司生产的3251D型聚乳酸粒料,熔融指数35 g/10 min,190 ℃.
试验设备包括：电热式鼓风恒温干燥箱,DHG-9625A；高速混合机,SHR-10A；双螺杆挤出机,SJSH30；注塑机,JPH80；电子万能力学试验机,RGT － 20A .
1. 2 试验方法
1. 2. 1 木纤维/聚乳酸复合材料的制备
将杨木纤维放置在温度为103 ℃的烘箱中进行烘干,直至木纤维含水率≤3%.由于注塑工艺对材料的流动性能要求较高,因此选择熔融指数较高的注塑型聚乳酸原料.将杨木纤维、聚乳酸粒料分别按质量份数为2/8,3/7和4/6进行称重混合,然后放入高速混合机,先进行低速混合5 min后,再高速混合5 min,将混合后的原料加入双螺杆挤出机进行进一步的熔融混合、挤出造粒.
将制备好的木纤维/聚乳酸粒料加入注塑机中进行注塑加工,直接注塑成密度为1.2 g/cm3的3种力学测试试件.注塑好的试件形状均为拉伸试件的尺寸,厚度4 mm,长度15 mm.将部分试件剪切成符合GBT_1449《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》[ 6 ]中弯曲性能测试要求的试件尺寸10 mm×10 mm×4 mm（长×宽×厚）.
1. 2. 2 性能测试
参照GBT_1449《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》、GBT_1449《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》,对复合材料的静曲强度、弹性模量、拉伸强度等性能指标进行测试.每种配方有试件6块,每项性能测试在每块板材上取1块试样,测试结果取平均值.
2 结果与分析
由 试验结果（表1）可以发现,木纤维的加入对注塑方法制备的木纤维/PLA复合材料的物理力学性能有显著影响.木纤维含量对复合材料体系的力学性能也具有较为显著的影响.
表1 不同木材纤维含量复合材料的力学性能
2. 1 木纤维含量对复合材料弯曲性能的影响
由图2表1可以看出,加入木纤维后,木纤维/PLA复合材料的静曲强度有微小的下降；随着加入木纤维比例的增加,静曲强度又有所提高.这是由于加入木纤维后,材料的整体连续性有所降低,然而当木纤维含量增加到一定比例后,聚乳酸基质的结晶度会有所提高,因此复合体系的静曲强度也有所提高[ 5 - 6 ].
另外,较少的纤维含量使体系中的木纤维分布并不能形成连续的增强结构,同时还会在一定程度上降低原有PLA分子链的连续性[ 8 ],因此木纤维含量较少的试件其静曲强度较低.当加入的木纤维含量逐渐增加,复合材料体系中的纤维能够形成完整的增强体系,整体的静曲强度又有所提高.
图2 不同复合材料的静曲强度和弹性模量
同时,纯PLA试件的弹性模量较低,加入木纤维后复合材料的弹性模量有显著提高,达到了100%以上.这主要是由于木纤维的加入增加了体系的结晶度和刚度,使弹性模量有所提高；同时,木纤维的加入使整个复合体系中PLA的分子链连续性降低,使得复合材料的弹性降低,因此复合材料在受到外力后变形程度减小.
2. 2 木纤维含量对复合材料拉伸性能的影响
试验结果（图3）表明,不同木材纤维含量复合材料的拉伸强度与复合材料静曲强度的变化规律相一致,木纤维的加入会少量降低复合材料的拉伸强度.本研究中所使用的木纤维并未经过改性处理,因此木纤维与聚乳酸基质的界面结合并不十分牢固,木纤维的加入会在一定程度上降低PLA基质的完整性和连续性,当加入的木纤维较少时,木纤维在PLA基质中无法形成连续的分散状态,因此未起到增强作用.木纤维较少时,某些纤维与PLA基质的结合处反而会使体系的薄弱点增加,因此拉伸强度会有所下降.随着木纤维含量的增加,以木纤维为结晶起始点的PLA异相结晶现象也会有所增加,结晶度随之提高,促使整个复合材料体系的拉伸强度提高.
图3 不同复合材料的拉伸强度和拉伸模量
图3表明,随着木纤维含量的增加,体系的拉伸模量也随之增加,结合表1中材料的断裂伸长率数据分析可知,加入木纤维后,体系在拉力方向上的弹性减小,受力后体系形变减小.这是由于未加入木纤维前,体系中PLA分子链的结晶方式主要受加工中剪切作用和流道方向影响,与拉力方向一致,分子链在拉力方向上有较大的伸展变化空间；而加入了木纤维的复合材料体系中,木纤维与PLA基质之间的结合方式为横向结晶方式[ 7 - 8 ],结晶方向垂直于拉力方向,因此在受到拉力作用时可伸缩的空间较小.
3 结 论
3. 1 通过对3种木纤维/PLA复合材料样品几项性能的测试和分析得出,可以通过注塑成型的方式制备WF/PLA复合材料,需要选用熔指较高的聚乳酸原料进行制备.在聚乳酸体系中加入木纤维,对材料的力学性能有显著影响；相比纯聚乳酸材料,复合材料的弯曲强度和拉伸强度都有微小的降低,但其弹性模量有显著提高.
3. 2 复合材料体系中木纤维的含量,会在一定程度上影响材料的弯曲性能和拉伸性能.较高含量的木纤维能够使纤维分布更加连续,具有一定的增强效果,因此弯曲强度和拉升强度会优于前者.
3. 3 木纤维的加入,会在一定程度上改变复合材料体系中PLA的结晶形态、结晶度和结晶方向,因此,相比纯PLA复合材料体系的弯曲模量和拉伸模量会显著增加.
参考文献
［1］ 秦志永. 木纤维增强聚乳酸可生物降解复合材料的制备与性能表征［D］. 长沙： 中南林业科技大学, 2011.
［2］ 郭文静, 鲍甫成, 王正. 木纤维—聚乳酸复合材料性能与聚乳酸性能的相关性［J］. 高分子材料科学与工程, 2010, 26(2): 62 - 65.
［3］ 郭文静, 鲍甫成, 王正. 复合方式对木纤维-聚乳酸生物质复合材料结构与性能的影响［J］. 北京林业大学学报, 2009, 31(4): 106 - 111.
［4］ 吴义强, 李新功, 秦志永, 等. 木纤维/聚乳酸可生物降解复合材料的制备和性能研究［J］. 中南林业科技大学学报, 2012, 32(1): 100 - 103.
［5］ 孙晓婷. 等温结晶对木纤维/聚乳酸复合材料结晶与性能的影响［D］. 北京： 中国林业科学研究院, 2016.
［6］ 宋庆龙, 温慧颖, Jesperde Clille Christiansen, 等. 改性木纤维/聚乳酸复合材料的制备与性能研究［J］. 分子科学学报(中、 英文), 2016(6): 453 - 459.
［7］ 刘一楠, 刘珊杉, 郭文静. 木纤维尺寸对聚乳酸结晶特性的影响［J］. 西南林业大学学报(自然科学), 2017, 37(2): 184 - 191.
［8］ 吴蕴忱, 刘珊杉, 刘巍岩. 木纤维尺寸对聚乳酸木纤维复合材料性能的影响［J］. 林业科技, 2017, 42(4): 23 - 26.
第1作者简介： 潘宇峰（1979 -）, 助理工程师, 研究生, 主要研究方向为木材及复合材料制备.
通讯作者： 刘欣（1980-）, 女, 硕士研究生, 副研究员. 研究方向： 林业科学.
收稿日期： 2018 - 05 - 15
（责任编辑： 潘启英）
复合材料论文参考资料：
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