材料科学  >> Vol. 9 No. 3 (March 2019)

PLA对PBAT/木粉复合材料力学性能影响
Effects of PLA on the Mechanical Properties of PBAT/Wood Flour Composites

DOI: 10.12677/MS.2019.93026, PDF, HTML, XML, 下载: 562  浏览: 2,208 

作者: 梁馨元, 张筱茜, 姜艳霞, 施筱萱, 姜 月, 赵悦君, 吴伟东, 杨永晟, 宋剑斌:沈阳师范大学,化学化工学院,能源与环境催化研究所,辽宁 沈阳

关键词: PBATPLA力学性能吸水率PBAT PLA Mechanical Properties Water Absorption

摘要: 本文采用聚乳酸(PLA)、木粉、聚己二酸丁二醇/对苯二甲酸酯(PBAT),通过挤出/注塑成型制备PLA/PBAT/木粉复合材料。借助材料试验机等详细研究PLA含量对木塑复合材料力学性能(弯曲强度、拉伸强度和冲击强度)、吸水率的影响。结果表明随着PLA含量增加,木塑复合材料的弯曲性能和拉伸性能逐渐增加。当PLA含量达到66%时,与未添加PLA相比,木塑复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了95%和850%;拉伸强度仅提高了30.9%;木塑复合材料的冲击强度则随着PLA含量增加而下降。吸水试验表明PLA的加入可有效降低PBAT木塑复合材料的吸水率。
Abstract: Polylactic acid (PLA), wood flour and polybutylene adipate/terephthalate (PBAT) were used to fabricate PLA/PBAT/wood flour composites using an extrusion/injection method. The influences of PLA on the mechanical properties and water absorption of PBAT/wood flour composites were studied through material testing machine. The results showed that the flexural and ensile proper-ties of PLA/PBAT/wood flour composites increased as PLA content increased. Compared with composites without PLA, PLA/PBAT/wood flour composites were increased by 95% and 850% at 66% PLA, respectively, whereas tensile strength was only elevated by 30.9%. Impact strength of PLA/PBAT/wood flour composites decreased as PLA content decreased, which was relevant to the rigidness of PLA. In addition, water absorption of PLA/PBAT/wood flour composites was further reduced due to the addition of PLA.

文章引用: 梁馨元, 张筱茜, 姜艳霞, 施筱萱, 姜月, 赵悦君, 吴伟东, 杨永晟, 宋剑斌. PLA对PBAT/木粉复合材料力学性能影响[J]. 材料科学, 2019, 9(3): 196-201. https://doi.org/10.12677/MS.2019.93026

1. 引言

近年来,随着环境污染的日益加剧,塑料的不可降解和不可回收性严重危害了自然环境及动植物生命。可降解高分子材料是一种使用后能被自然界微生物完全降解的材料,其最终产物为二氧化碳和水,不污染环境,且性能与传统石油基塑料相当 [1] [2] [3] ,因而聚乳酸等生物聚酯可降解高分子开始得到重视并获得发展。

近几年,随着人们对木材需求增加,大量的木材废弃物往往采用直接焚烧方法处理,这不但导致环境污染加剧,而且也带来大量资源浪费。另外我国森林资源随着人们需求大幅增加而开始出现短缺。因此实施以塑代木是有效节约森林资源的重要举措之一,同时又可大幅减少高分子的消耗,降低成本,提高经济效益。木塑复合材料是将木粉、竹粉、农作物秸秆粉等天然纤维与热塑性树脂混合后,采用挤出/注塑等工艺制成的一种绿色环保新型复合材料 [4] [5] 。研究表明,木粉、竹粉等生物填料尺寸、种类及含量等都会对木塑复合材料性能产生影响。Chaudemanche等详细研究了木粉粒径大小对木粉复合材料的力学性能的影响 [6] 。尹文艳对木粉/废旧塑料复合材料的进展做了系统总结 [7] 。李冲等以聚己内酯(PCL)和聚乙二醇(PEG)作为增容剂,可大大改善PLA和PBAT两相界面的黏结力,提高共混物力学性能,降低结晶温度 [8] 。PBAT分子链不仅柔性良好,而且热稳定性,冲击性能良好 [9] [10] ,但是弯曲性能较差。而PLA则具有良好刚性,加入PLA可改善PBAT/木粉复合材料强度。因此本文通过挤出共混方法制备了PBAT/PLA木粉复合材料,并研究PLA含量对木塑复合材料的力学性能(弯曲强度,拉伸强度,冲击强度)和吸水率的影响。

2. 材料与方法

2.1. 原料

聚己二酸丁二醇/对苯二甲酸酯PBAT(TH801T),新疆蓝山屯河有限公司;聚乳酸(4032D),美国Nature有限公司;增容剂GMA (AX8900),法国阿科玛有限公司;木粉(100目),溧阳市辉腾木质粉有限公司。

2.2. 仪器

同向双螺杆挤出机(SHJ-20B),南京杰恩特机电有限公司;注塑机(SA600),海天注塑机集团有限公司;材料试验机(QJ212),上海倾技仪器仪表科技有限公司;冲击试验机(QJBCJ),上海倾技仪器仪表科技有限公司。

2.3. 木塑复合材料的制备

首先将PBAT,GMA,PLA和木粉在70℃的烘箱中干燥24 h,除去原材料中水分。按表1用电子天平称取定量的PBAT,PLA,GMA和木粉,放入混合机中混合均匀。然后转移至双螺杆挤出机中挤出造粒。挤出机温度设置为155℃~170℃。将造粒后的材料放入注塑机中注塑成标准试样,注塑机温度控制在160℃。复合材料中各个成分质量分数如表1所示。

Table 1. The weight fraction of component in the composites

表1. 复合材料组分含量

2.4. 性能测试

木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度,分别按照国家标准GB/T1040.2-2006,GB/T9341-2008和GB/T1843-2008通过材料试验机进行测试。拉伸和弯曲速度均为10 mm∙min−1,温度为20℃。每组测试试样为5个,取平均值。

吸水率:首先将待测试样放入80℃烘箱中干燥24 h,取出冷却后称量(W1)。接下来将样品浸入盛满水的烧杯中,烧杯置于水浴锅中,水浴温度控制在60℃,浸泡时间为24 h。试样取出后用干净纸巾擦去表面,称量记录(W2)。

吸水率(W)根据公式 W = W 2 W 1 W 1 × 100 % 来计算,其中,W1代表试验前样品质量,g;W2代表浸泡试验之后样品的质量,g。

3. 结果与分析

3.1. 弯曲强度

弯曲强度是指材料在弯曲负荷的作用下破裂或达到规定挠度时所能承受的最大应力。弯曲模量是指材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力,弯曲模量值越大,表示材料在弹性极限内不易发生形变。图1图2是加入聚乳酸后,PBAT/木粉复合材料的弯曲性能变化。当PLA含量为0%时,PBAT/PLA木粉复合材料的弯曲强度为17.9 MPa,弯曲模量为620 MPa。随着PLA含量增加,木塑复合材料弯曲强度和弯曲模量逐渐增大,分别达到最大值34.9 MPa和5890 MPa。与未添加PLA相比,木塑复合材料弯曲强度和弯曲模量分别提高95%和850%。这表明PLA对木塑复合材料的弯曲性能有较好增强效果。

3.2. 拉伸强度

拉伸强度是指材料在拉伸过程中最大可以承受的应力。图3是掺有不同含量PLA的PBAT/PLA木粉复合材料的拉伸强度。不添加PLA的PDAT/PLA木粉复合材料的拉伸强度为9.4 MPa。随着PLA含量增加,木塑复合材料的拉伸强度也逐渐增加。当PLA含量达到66%时,木塑复合材料的拉伸强度达到12.3 MPa。与未掺入PLA的木塑复合材料相比,拉伸强度提高30.9%,这表明,在一定范围内,增加PLA含量有利于改善木塑复合材料的拉伸强度。

Figure 1. The influences of PLA content on the flexural strength of the composites

图1. PLA含量对木塑复合材料弯曲强度的影响

Figure 2. The influences of PLA content on the flexural modulus of the composites

图2. PLA含量对木塑复合材料弯曲模量的影响

Figure 3. The influences of PLA content on the tensile strength of the composites

图3. PLA含量对木塑复合材料拉伸强度的影响

3.3. 冲击强度

冲击强度是评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度的物理量。冲击强度越大,木塑复合材料韧性越好。图4是PBAT/木粉复合材料的缺口冲击强度随掺入PLA含量变化图。不添加PLA的PBAT/木粉复合材料的冲击强度为7.8 KJ/m2。随着加入聚乳酸PLA含量增加,木塑复合材料的冲击强度逐渐下降。当PLA含量达到66%时,与未掺入PLA的木塑复合材料相比,冲击强度强度减小了2.5 KJ/m2,这表明在一定范围内,PLA的含量越低,材料的冲击强度越好。

Figure 4. The influences of PLA content on the impact strength of the composites

图4. PLA含量对木塑复合材料冲击强度的影响

3.4. 吸水率

图5分别是第一天,第三天,第七天掺有不同含量PLA的PBAT/木粉复合材料的吸水率。相同PLA含量下,复合材料吸水率随着时间增加而增加。在相同时间内,未添加PLA的PBAT/PLA木粉复合材料的吸水率最高。随着加入PLA含量增加,复合材料的吸水率也逐渐下降。当PLA含量达到66%时,与未掺入PLA的木塑复合材料相比,吸水率达到最低值。这表明在一定范围内,PLA的含量越高,吸水率越低。

Figure 5. The influences of PLA content on the water absorption of the composites

图5. PLA含量对木塑复合材料吸水率的影响

4. 总结

本实验通过挤出/注塑方法制备了PBAT/PLA木粉复合材料,通过改变掺入PLA含量详细对比研究复合材料的力学性能(拉伸强度、弯曲强度、冲击强度)和吸水率,并取得以下结果:

1) 通过添加PLA,PBAT/PLA木粉复合材料的力学性能得到很大改善。弯曲强度从17.9 MPa增加到34.9 MPa,弯曲模量从620 MPa提高到5890 MPa,与未添加PLA相比较,木塑复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了95%和850%;拉伸强度从9.4 MPa增加到12.3 MPa,增加了30.9%。

2) 通过冲击强度的测试,发现随着PLA含量增加,PBAT/PLA木粉复合材料的冲击强度从7.8 KJ/m2下降到2.5 KJ/m2,材料韧性开始变差。

3) 通过吸水率测试,发现随着PLA含量增加,PBAT/PLA木粉复合材料的吸水率逐渐下降。

致谢

本项目感谢辽宁省自然科学基金(20180551250);沈阳师范大学博士、引进人才科研项目启动基金(BS201816,BS201838)等项目的资助;感谢辽宁省高校重大科技平台“能源与环境催化工程技术研究中心”,辽宁省油气资源高效转化与洁净利用重点实验室和辽宁省油气资源高效转化与洁净利用工程研究中心对本项目的大力支持。

参考文献

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