竹纖維_可生物降解塑料綠色復合材料制備的關鍵問題

1、收稿日期:2010 02 05基金項目:國家科技支撐計劃資助(2008BADA9B01,國家林業(yè)局948項目資助(2009 4 51作者簡介:李新功(1970 ,副教授,主要從事木質與非木質復合材料的研究。E m ai:l lxgwood 163.co m竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料制備的關鍵問題李新功 吳義強 秦志永 鄭 霞(中南林業(yè)科技大學,長沙410004摘 要 分析了影響竹纖維/可生物降解塑料復合材料性能的因素,簡要介紹了竹纖維/可生物降解塑料復合材料制備中應注意的問題,包括原材料、竹纖維/可生物降解塑料界面相容性以及成型工藝等。關鍵詞 竹纖維;綠色復合材料;制備;關鍵問題K e

2、y Proble m s in t heM anufacturi ng of Ba m boo Fi bers/B i odegradable Resi n Co mpositesL iX i n gong W u Y iqiang Q i n Zhiyong Zheng X ia(S chool ofM aterial Science and Engi neeri ng ,C entral South Un i versit y ofForestry and T echnology ,Ch angs ha 410004,Hun an ,Ch i naAbst ract Influencing

3、 factors on properties of the ba mboo fi b ers/biodegradab le resi nco m posites w ere ana l y sed .K ey prob le m s in the m anu facturing of ba m boo fi b ers/b iodegradable resi n co m posite ,i n cluding ra w m aterials ,t h e i n terfac ial co m pati b ility of the plant fi b ers/b iodegradable

4、 resi n and shap i n g techno l o gy ,w ere elaborated.K ey w ords Ba m boo fi b er ;Green co m posites ;M anu facturing ;Key pr oble m s 天然竹纖維是自然界中最豐富的天然高分子材料,其生長總量高達千億噸,遠遠超過了地球上現存石油的總儲量。在自然資源日漸缺乏的今天,充分利用天然竹纖維資源,發(fā)揮其獨特的功能和特性,開發(fā)新的應用領域是當務之急。而天然竹纖維與可生物降解塑料復合制備綠色復合材料是開發(fā)和利用這一資源的有效途徑之一1。天然竹纖維具有長徑比大、比強度高、比

5、表面積大、密度低、價廉、可再生以及可生物降解等眾多優(yōu)點,因此具有良好的工業(yè)前景。以天然竹纖維為增強材料,可生物降解塑料作為基材,開發(fā)與制備環(huán)境友好、可生物降解的綠色復合材料已成為新世紀的研究熱點2。但是,天然竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料的制備過程比較復雜,復合材料性能受原材料、天然竹纖維與可生物降解塑料的界面特性以及成型工藝等諸多因素的影響。本文將分析影響復合材料性能的因素,闡述天然竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料研究及制備過程中應該注意的幾個關鍵問題。1 原材料1.1 天然竹纖維的添加量目前,竹纖維與可降解塑料制備綠色復合材料的研究雖然已經開展,但與麻類纖維材料的研究相比,相對較少3

6、。無論哪種天然竹纖維用于制備綠色復合材料,竹纖維質添加量是影響復合材料性能的主要因素之一。第29卷 第2期2010年5月竹 子 研 究 匯 刊J OURNAL OF B AM B OO RESEARCHV o.l 29,No .2M ay ,2010天然竹纖維的添加量(纖維質量分數對復合材料性能的影響,目前學術界還存有爭議。一些學者認為,一定范圍內隨著植物纖維質量分數的增加,復合材料的力學性能提高。Taka gi4,5等進行了竹纖維與生物降解塑料綠色復合材料模壓工藝的研究。研究發(fā)現復合材料的拉伸和彎曲強度隨竹纖維質量分數的增加而逐漸提高,竹纖維質量分數為66.6%時材料性能達到最大值。但是有些

7、學者則有不同結論。如Lee等6用熔融捏合再熱壓方法制備的竹纖維PPLA及竹纖維PPBS復合材料中,復合材料的拉伸強度都隨著纖維含量增加(從10% 50%而下降。產生上述結果的原因是多方面的。除了與可降解塑料本身性能有關外,還與所采用的天然竹纖維和可降解高分子塑料的界面相容性以及復合材料的成型方式有關系。因此,在進行天然竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料研究時,纖維質量分數的選擇應考慮多種因素的共同影響。1.2 可生物降解塑料性質可生物降解塑料是指在自然界或特定條件如堆肥化條件下或厭氧消化條件下或水性培養(yǎng)液中,由自然界存在的微生物如紅菌、霉菌和海藻等作用引起降解,并最終完全降解為二氧化碳或/和甲

8、烷、水及其所含元素的礦化無機鹽以及新的生物質的塑料7。目前已經研究成功并實現商業(yè)化生產主要有聚乳酸(PLA、聚丁二酸丁二醇酯(PBS、聚羥基丁酸酯(P H B、聚已內酰胺(PCL等。這些塑料大都具有優(yōu)良的可塑性、易加工成型等特點,但是也存在一些不足之處。例如,PLA脆性較大,對復合材料的加工性能及其韌性會產生一定的影響,使用時最好加入一定量的增塑劑對其進行改性處理。胡曉方8等研究了用三醋酸甘油酯作為增塑劑對PLA進行改性處理,研究發(fā)現,在不改變PLA的晶型的情況下,其韌性增強。另外,這些可生物降解塑料生產成本昂貴,也嚴重制約了它們在綠色復合材料方面的應用9。開發(fā)價格低廉可生物降解塑料、可協(xié)調其

9、可加工性、降解性與機械性能之間的關系是當務之急。2 天然竹纖維/可生物降解塑料界面性能的改善天然竹纖維是由纖維素、半纖維素、木質素及各種抽提物組成的天然高分子材料,它是一種不均勻的各向異性材料,界面特性十分復雜。其主要成分纖維素、半纖維素和木質素等含有大量的極性羥基和酚羥基官能團,使得其表面表現出很強的化學極性,導致天然竹纖維/生物可降解塑料基材間界面相容性差,微觀上呈非均勻體系,兩相存在十分清晰的界面,粘結力差。這使得應力在界面不能有效地傳遞,使復合材料的沖擊強度和拉伸強度會顯著降低,從而影響復合材料的綜合性能10,11。因此,在制備綠色復合材料的過程中,需要解決的重大問題是如何使親水的極性

10、天然竹纖維表面與疏水的非極性生物可降解塑料界面之間具有良好的相容性,從而使竹纖維的表面層與生物可降解塑料的表面層之間達到分子間的融合,把這兩種不同性質的材料復合在一起,產生比原來單一材料性能更加優(yōu)良的新材料。改善天然竹纖維與生物可降解塑料的相容性可以借鑒天然竹纖維與普通解塑料界面的改善。目前應用較多的是堿處理竹纖維、偶聯劑改性處理植物纖維以及塑料改性等方法。2.1 利用堿液對竹纖維進行處理堿處理竹法原理與其它天然植物纖維相似,主要表現在兩個方面:利用植物纖維中各組分對堿的穩(wěn)定不同使植物纖維中的部分果膠、木素和半纖維等雜質被溶解,纖維表面變得粗糙,使纖維與塑料界面之間的機械粘合力增強。另一方面是

11、通過堿液的作用使植物纖維更加細化,纖維的直徑減小,長徑比增加,與塑料基體的有效接觸表面增加。王俊勃等10制備了苧麻纖維增強樹脂復合材料,研究發(fā)現,堿處理可以溶漲纖維孔腔,有利于填入其他材料使纖維成為復合纖維,同時還能提高纖維本體的拉伸強度、拉伸模量和韌性。堿處理后纖維與樹脂的界面得到了改善,提高了復合材料的力學性能。曹勇等12以不同濃度的堿液處理的甘蔗渣纖維為增強材料制備可降解復合材料,研究38 竹子研究匯刊第29卷了堿處理對復合材料的影響。研究發(fā)現,不同濃度的堿液對纖維復合材料力學性能有明顯影響,1%是最適合的堿液處理濃度。1%堿液處理后纖維復合材料的拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度分別比處理

12、前平均提高了約13%。掃描電鏡照片清晰可見堿處理前纖維表面存在大量的半纖維素,堿處理后由于半纖維素的去除纖維表面變得干凈而凸凹明顯,纖維間隙變大,這與纖維數量增加帶來的效果一樣,導致纖維與基材的粘結性能也得到改善。同時,為了進一步定量分析堿處理對纖維的影響,他還對堿處理前后的甘蔗渣纖維進行了拉伸性能測試,測試結果表明堿處理使纖維分解細化導致纖維拉伸強度以及長徑比得到提高,從而使由堿處理后纖維制備的符合材料力學性能得到了相應的提高。2.2 偶聯劑改性處理耦聯劑一般是一端含有極性基團,另一端含有非極性基團的化合物,其極性的一端和植物纖維部分相容,而非極性一端則和塑料部分相容,從而在兩相之間起到了橋

13、梁作用而將兩相連結在一起。耦聯劑法就是將竹纖維在與塑料復合前用耦聯劑進行預先處理,提高竹纖維與塑料的相容性。目前所采用的耦聯劑主要有馬來酸化系列和脂肪族等。耦聯劑的用量對復合材料的力學性能影響明顯。Lee等13用賴氨酸基異氰酸酯(LD I作為耦聯劑對PLA、PBS 竹纖維生物復合材料的改進效果進行了評價,研究發(fā)現,加入LDI后,PLA/BF和PBS/BF復合材料的拉伸性能、耐水性能和界面結合性能都得到了改善。2.3 塑料的改性將生物可降解塑料進行改性后作為綠色復合材料制備是另外一種改善天然竹纖維與生物塑料界面性能的重要途徑。其主要原理是通過對可降解塑料的改性在塑料大分子鏈上接枝極性或反應性支鏈

14、來提高竹纖維與可降解塑料界面相容性。這種改性包括塑料本體性質的改善和表面性能的改善。從提高天然竹纖維與可降解塑料界面強度的角度考慮,塑料表面性能的改善應是主要考慮的問題,這一點與其它植物纖維增強可降解塑料復合材料制備也相似。Plackett14,15將聚乳酸進行馬來酸酐酯化改性用作制備木纖維增強復合材料的基材,研究結果表明,馬來酸酐酯化改性聚乳酸對于復合材料界面改善具有積極的作用。3 成型工藝的選擇與天然竹纖維與普通高分子復合材料的制備相似,天然竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料制備所采用的成型工藝主要有擠出成型、注射成型和層壓成型等。擠出成型加工周期短、效率高、成型工藝簡單,它在工業(yè)化生產中

15、與其它加工方法相比有著更廣泛的應用。擠出成型要求成型加工前對原料進行造粒處理,即將竹纖維和可生物降解塑混合物通過造粒裝置加工成顆粒狀。其目的是使植物塑混合料熱熔、混煉,使竹塑預塑化,排除揮發(fā)物,以便在擠出成型時能夠完全塑化。在擠出成型過程中,溫度、壓力、螺桿轉速的調控相當重要。植物纖維屬于一種剛性材料,加入到塑料基體中,會使混合體系的黏度升高,黏度高,竹纖維在熔體中易聚結成團。溫度的升高有利于熔融體系的流動,但過高的溫度會使植物纖維降解、焦化,導致產品力學性能降低,外觀顏色較深。一般竹纖維在200 以上時便開始出現降解、焦化,所以設定溫度一般高于塑料基體熔融溫度,而低于200 。另外,竹纖維與

16、塑料的熔融體系達到口模時,必須保證一定的壓力,沒有足夠的擠出壓力,會造成制品的強度缺陷,也不利于物料在擠出口模時的制品定型16,17。注射成型的優(yōu)點是生產速度快、效率高、易實現自動化生產、產品尺寸穩(wěn)定性高,且能夠成型形狀復雜的制品。但是,注射成型時作為增強材料的竹纖維比例不能太大,因為纖維越多混合體系流定性越差,而注射成型原需要料具有較高的流動性。此外,由于注射成型一般沒有排氣裝置,因此原料的充分干燥非常重要18,19。將竹纖維浸入可生物降解塑料的溶液中,使竹纖維表面包覆一層塑料,然后預壓成植物纖維膜或片。層壓成型工藝是將預壓好的竹纖39第2期李新功等 竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料制備的

17、關鍵問題維膜或片層疊,組成層疊體,送入壓機,在加熱和加壓的條件下固化成型復合材料制品的一種成型工藝。層壓成型工藝適合于竹纖維含量比較高的復合材料生產,其技術特點是加壓方向與制品的板面方向垂直。層壓工藝主要是生產各種規(guī)格、不同用途的復合材料板材。它機械化、自動化程度高,產品力學性能較其它成型方式好,但設備一次性投資大2023。天然竹纖維/可生物降解塑料綠色復合材料成型工藝要根據研究者研究的具體內容選擇,總體而言,應注意以下幾個問題:(1天然竹纖維/可生物降解塑料成型較天然竹纖維/普通塑料復合材料成型難度大。因為在擠出和注射成型過程中有些可降解塑料溫度高于200 時易發(fā)生水解反應24或可能產生分子

18、量下降的問題,從而會降低復合材料的性能。(2根據可查到文獻,層壓法工藝制得的復合材料具有更高的力學性能25。(3擠出成型和注射成型工藝適用于竹纖維以粉狀形態(tài)出現,而且纖維質量分數不能太高,這是因為這兩種成型方式要求物料混合體系具有一定的粘度和流動性1821。4 結 語天然竹纖維/可生物降解塑料復合材料是一種新型環(huán)境友好的生物質復合材料,在我國其應用開發(fā)基本滯留在實驗研究階段,真正大規(guī)模的拓展性開發(fā)應用尚需更深人的研究工作。其研究涉及材料界面科學、流變學、材料學、材料力學等諸多學科,需要綜合運用多種現代分析手段對竹纖維與可生物降解塑料間的復合規(guī)律,如相間化學鍵合、相間組織形態(tài)、界面酸堿反應、表面

19、潤濕等現象進行系統(tǒng)研究。目前,盡管天然竹纖維/可生物降解塑料復合材料的研究還存在這樣或那樣的問題,但是,隨著可用石油資源的減少和人們環(huán)境保護意識的增強,人們對該材料的開發(fā)與應用將更加關注與重視,其制備理論和技術將日趨完善和成熟。參考文獻1揣成智,李 樹,藺艷琴.聚丙烯/接枝木纖維復合材料相容性及性能的研究.中國塑料J,2000,14(5:2328 2容敏智,盧峋,章明秋.全植物纖維復合材料的生物降解性能研究J.中國塑料,2006,20(8:64683郭文靜,王正,鮑甫成等.植物纖維/可生物降解塑料生物質復合材料研究現狀與發(fā)展趨勢J.林業(yè)科學,2008, 441:1571614H.Takag,i

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