原创《聚乳酸竹粉复合材料性能影响因素分析》
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摘 要：以竹粉、聚乳酸（PLA）为原材料,以模压成型的方法制备竹粉/PLA复合材料,通过测试其力学性能,摩擦磨损性能和吸水性能来分析竹粉的含量对复合材料性能的影响.实验结果表明：当竹粉含量为30%时,复合材料的洛氏硬度值,弯曲强度以及抗摩擦磨损性能达到最高,之后呈下降趋势.竹粉含量为50%时,材料的冲击强度,拉伸强度达到最大值,竹粉含量超过50%之后,开始明显下降.复合材料的吸水性能逐渐增加.综合实验结果来看,竹粉的添加有利于改善力学性能,提高材料的抗摩擦磨损性能和吸水性能.
关键词：竹粉；PLA；吸水性能；力学性能；摩擦磨损性能
0 引言
聚乳酸（PLA）是一种新型的可生物降解的热塑性树脂.但是,亲水性差,耐热温度低,脆性高,力学强度低,极大地限制了应用.天然竹纤维具有长径比大、比强度高、比表面积大、密度低、可再生以及可生物降解等诸多优点,且竹子资源丰富,价廉,用竹纤维增强的聚合物基复合材料具有较良好的力学性能,于是受到很多环保爱好者的青睐[1-3].
在植物纤维改性PLA方面,吴学森等[4]采用交联的方法对淀粉改性并探究了淀粉含量对聚乳酸复合材料的影响,结果显示,淀粉含量增加会导致材料力学性能下降,但是增加淀粉交联程度可以减少材料力学性能的下降.张建等[5]以稻秸秆、麦秸秆、稻壳三种植物纤维作为填充相,制备PLA/植物纤维复合材料并进行性能测试.尹晓琛[6]等用在木纤维的表面和表面的缝隙处培养木醋杆菌生长的方法,再由混炼挤出制备出聚乳酸木粉复合材料；毛海良[7]等应用热压成型技术进行材料与竹纤维复合成型.竹纤维等植物纤维在与基体树脂复合之前,一般要进行表面改性处理,从而降低其吸水性,提高与低极性基体树脂的界面相容性和粘合性[8,11].但是对竹纤维这一因素对复合材料性能的影响,相关研究不是很多.在此次实验中,固定硅烷偶联剂比例为3%,偶联剂的添加可以在一定程度上改善PLA的弹性模量,对材料进行各项性能测试来研究竹粉含量对PLA力学性能,摩擦磨损性能和吸水性能的影响.
1 实验部分
1.1 主要原料
1）PLA,4023D,美国NatureWorks公司；
2）无水乙醇,AR（分析纯）,南京化学试剂有限公司；
3）硅烷偶联剂KH-570,南京道宁化工有限公司.
1.2 主要设备及仪器
1.3 样品制备
按照表2所示,准确称量竹粉和聚乳酸之后,将粉碎并筛细的竹粉（60目）、PLA粉末和偶联剂（硅烷和无水乙醇按1：4混合得到）在高速混合机内搅拌,然后放入电热恒温鼓风干燥箱,温度设置为120℃,烘干时间为12h.烘干过程中不能打开烘干箱,防止材料烘干不均匀,影响复合材料的性能.将烘干后的材料放入工装中,在平板硫化机上进行热压成型,压制阶段设置的参数为：温度为160℃,压力5MPa,时间9min,冷却2个小时,将压制好的竹粉/PLA复合材料板取出.
表1 仪器设备相关信息
表2 实验配方表
1.4 性能测试
1）硬度.通过XHR-150型塑料洛氏硬度计测量洛氏硬度,载荷为60kg,加载和卸载时间均为15s,载荷保持时间5s.
2）拉伸强度.按GB/T1040.4-2006标准测试材料拉伸强度,拉伸速度为2mm/min.
3）弯曲强度.按GB/T9341-2008标准测试材料弯曲强度,速度为2mm/min.
4）冲击强度.冲击强度按照GB/T13525-1992进行测试,无缺口.
5）吸水性能.测定复合材料吸水率.复合材料24h吸水率.
6）抗摩擦磨损性能.在50N和100N两种载荷的压力进行0.5h的摩擦磨损实验,根据实验前后的磨损质量差,计算出摩擦磨损率.
2 结果与讨论
2.1 力学性能
图1 不同含量竹粉时PLA复合材料的深度
图2 不同含量竹粉时PLA复合材料的弯曲强度
图1是不同竹粉用量时PLA复合材料的硬度,如图所示,随着竹粉用量的增加,复合材料的洛氏硬度值逐渐增大.当竹粉的用量为30%的时候（2号样品）,复合材料的硬度值达到了最大值,可能是因为竹纤维与PLA塑料的结合性比较好,所以硬度高.当竹粉用量超过30%之后,其硬度变低.出现这种现象的原因可能是PLA塑料基体和纤维的结合性变差,会存在竹纤维对材料的割裂破坏作用的现象使硬度降低.
由图2可以看出在竹粉含量为30%之前,随着竹粉含量的增加,试样的弯曲强度逐渐增大.这是因为当竹纤维与PLA基体相融合后,竹纤维含量较低时,竹纤维在竹粉/PLA复合材料体系中较为分散,复合材料的弯曲性能逐渐提高.在竹粉含量超过30%后,复合材料的弯曲强度值开始大幅度下降,这可能是因为竹纤维与界面相容性较差,应力不能很好的在纤维之间传递,会产生应力集中和缺陷.最后逐渐趋于平缓.当竹粉含量为30%达到弯曲强度最大值34.64Mpa.
图3 不同含量竹粉时PLA复合材料的冲击强度
由图3可以看出,随着竹粉用量的增加,复合材料的冲击强度呈先增大后减小的趋势.当竹粉添加量达到50%时,由于竹粉含量较低时PLA的含量较高,PLA材料里面的增初层可以有效缓冲和吸收冲击能量,这时木塑复合材料呈现出塑料特性,冲击初性比较优良.所以复合材料的冲击强度会达到最大值13.4375 KJ/m2,当竹粉含量高时,这会导致PLA与竹纤维的相容性变差,容易造成团聚,出现应力集中.吸收和传递外力大都依靠植物纤维来完成.而由于竹粉所占比例的增加,木塑复合材料主要基体从PLA基过渡到竹纤维基,PLA初始带变得越来越薄,冲击强度降低.从图4可以看出,当竹粉含量没有超过50%的时候,复合材料的拉伸性能随着竹粉添加量的增加而增加,当竹粉含量超过50%的时候,复合材料的拉伸强度随着竹粉含量的增加而减少.在竹粉含量为50%的时候达到最大值,12.76MPa.
拉伸性能提高的原因可能是,竹纤维含量较少时,纤维均匀的分散在材料中,PLA作为竹纤维之间的粘合剂分布在竹纤维及其微纤维表面的空隙中,植物纤维之间会发生相互接触、交叉,以及缠结的情况,这会使力学性能得到相应提高.之所以会发生含量增大,拉伸强度减小的情况是因填料颗粒在竹纤维中许多羟基的作用下产生团聚块,竹粉用量的增加会使团聚块变大,表面有效粘接会下降[12].
综上所述,复合材料的力学性能主要与以下三种因素有关：竹纤维自身强度、PLA以及它们二者之间的界面结合情况.随着竹粉质量分数的增加,由于自身的刚性就很高,对分子链段运动起到阻碍作用,所以复合材料的拉伸和弯曲弹性模量就增大.与此同时,复合材料的拉伸、弯曲和缺口冲击强度会随着竹粉质量分数的增加而降低.材料力学强度的降低可能与以下因素相关：竹纤维中的氢键的对纤维的聚集作用会使植物纤维在塑料基体中的分散性降低；竹纤维的亲水性会影响甚至减弱PLA和纤维的键合；增加植物纤维含量会在复合材料中纤维和聚合物之间产生界面缺陷,当承受外界拉伸或冲击载荷时,应力集中会发生在这些有界面缺陷的地方,[13-15].
2 2 抗磨损性能
竹粉含量对复合材料抗磨损性能影响,其擦磨损量和摩擦系数如图所示,
图4 不同含量竹粉时PLA复合材料的拉伸强度
图5 不同含量竹粉时PLA复合材料的磨损量
图6 不同含量竹粉时PLA复合材料的磨损系数
图7 不同含量竹粉时PLA复合材料的吸水率
由图5和图6发现,随着竹粉所占比例的增加,在50N和100N作用下,复合材料的磨损量都呈现先减少后增多的趋势,且当竹粉所占比例为30%时,磨损量均达到最小值12.6mg和16.7mg.这是由于竹粉含量为30%的聚乳酸复合材料中竹粉与PLA的界面相容性最优,所以耐磨性能较好.
而对于摩擦系数来讲,随着竹粉添加量的增加,摩擦系数先减小增大.摩擦系数的影响因素主要是复合材料中各组分的含量、复合材料的表面质量、摩擦滚轮的表面光洁度等.
综上所述,竹粉含量在30%之前,复合材料的抗摩擦磨损性能逐渐提升,30%之后,随着竹粉含量的增加,复合材料的抗磨损性能逐渐降低.抗摩擦磨损系数最小为0.08（50N载荷）和0.12（100N载荷）.竹纤维有良好的强度和刚度,热稳定性和耐化学腐蚀性,不仅提高聚合物的力学性能,延长使用期限,还能在摩擦的过程中承担部分负荷,提高热稳定性和热传导性.进一步地提高材料的摩擦磨损性能.
2.3 吸水性能
由图7可以看出：随着竹粉含量的增加,PLA木塑复合材料的吸水率也随之增加.复合材料的吸水性能与植物纤维本身的吸水率,植物纤维和PLA界面的结合情况有关,植物纤维本身吸水性能和植物纤维中存在羟基的数量都有关系.植物纤维所带的羟基数量和棕纤维的含量正相关.此外,竹纤维与PLA界面结合情况也将会影响复合材料的吸水率.竹纤维具有亲水性,其所占质量分数增加后,PLA就不能完全地把竹粉包裹起来,暴露在材料表面的羟基数量也会随之增加,水分会更容易进入材料内部,这时纤维与水分的接触面积也会增大,会使复合材料中纤维的含水量增加.复合材料的吸水率也会得到相应提高.
3 结语
1）竹纤维填充聚乳酸复合材料,对材料的性能有较大的影响：复合材料的洛氏硬度和弯曲强度均随着竹粉用量的增大后减小.当竹粉的质量分数为30%时,复合材料的洛氏硬度和弯曲强度分别达到最大值96.8HRR和34.64Mpa.复合材料冲击强度和拉伸强度呈现先增大后减小的趋势.当竹粉的质量分数小于50%时,复合材料的冲击强度和拉伸强度随着竹纤维用量的增大也随之增加,质量分数超过50%时随着竹粉用量的增加而减小.在50%时分别达到最大值13.4375KJ/m2和12.76MPa.
2）竹粉的含量小于30%时,复合材料的抗摩擦磨损性能逐渐提升,竹粉用量大于30%后,随着竹粉含量的增加,竹粉/PLA复合材料的抗磨损性能逐渐降低.抗摩擦磨损系数最小为0.08（50N载荷）和0.12（100N载荷）.材料的耐磨损性在竹粉含量占30%时为最佳,摩擦系数在30%时为最大.
3）随着竹粉质量分数的增加,材料的吸水率也随之提高,复合材料的吸水性能也逐渐增强.
参考文献
[1] 李新功,郑霞,吴义强.竹纤维聚乳酸复合材料界面调控[J].复合材料学报,2012,29（4）：94-98.
[2] 任兵杰,陈宇翔,方红霞,等.马来酸酐接枝改性竹纤维及其增强复合材料的性能[J].工程塑料应用,2011,39（5）：16-19.
[3] 张燕,李守海,黄坤,等.可降解聚乳酸／天然植物纤维复合材料的研究进展[J].工程塑料应用,2012,40（5）：102-106.
[4] 吴学森,王伟.淀粉含量对聚乳酸/淀粉共混物力学性能的影响[J].中国塑料,2009,23（2）：27-31.
[5] 张建,何春霞,唐辉,等.三种植物纤维填充聚乳酸复合材料性能对比[J].工程塑料应用,2016,44（11）：12-17.
[6] 尹晓琛,林群芳,陈袁曦,等.木粉的微生物法表面改性研究[J].工程塑料应用,2012,40（5）：13-16.
[7] 毛海良,周海明,盛奎川,等.热模压工艺参数对聚乳酸竹纤维复合材料拉伸强度的影响[J].材料科学与工程学报,2012,30（4）：586-590.
[8] Sreekala M S,Thomas S.Effect of fibre surfacemodification on water-sorption characteristicsof oil palm fibres[J].Composites Science andTechnology,2003,63（6）：861-869.
[9] 王娟,李敏,王绍凯,等.剑麻纤维表面特性及其浸润行为[J].复合材料学报,2012,29（4）：69-74.
[10] Dhakal H N,Zhang Z Y,Bennett N. Influence of fibretreatment and glass fibre hybridisation on thermaldegradation and surface energy characteristics ofhemp/unsaturated polyester composites[J].CompositesPart B：Engineering,2012,43（7）：2757-2761.
[11] Tran L Q N,Fuentes C A,Dupont-Gillain C,et al.Wetting analysis and surface characterisation ofcoir fibres used as reinforcement for composites[J].C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A：P h y s i c o c h e m i c a l a n dEngineering Aspects,2011,377（1-3）：251-260.
[12] Kokta B V,Maldas D,Daneault C,et al.Composites ofpolyvinyl chloride-wood fibersⅢ：Effect of silane ascoupling agent[J].Journal of Vinyl Technology1990,12（3）：146- 153.
[13] 李新功,凌启飞,吴义强.竹纤维质量分数对竹纤维增强聚乳酸复合材料性能影响[J].功能材料,2013,21（44）：3094-3098.
[14] 姜爱菊.剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及性能研究[D].广州：华南理工大学,2012.
[15] 张明明,储富祥,王春鹏,等.偶联处理对聚乳酸／木粉复合材料性能的影响[J].工程塑料应用,2012,40（11）：4-7.
复合材料论文参考资料：
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