木纖維含量對注塑成型木纖維/聚乳酸復合材料性能的影響

潘宇峰　劉欣　劉珊杉　劉巍巖

摘要： 利用注塑成型的工藝方式制備木纖維/聚乳酸（PLA）復合材料，研究了較高木纖維含量對木纖維/PLA復合材料力學性能的影響。研究發現，木纖維的加入對復合材料體系的力學性能有顯著的影響。加入木纖維后，復合材料的彎曲強度和拉伸強度都有微小的降低，彈性模量和拉伸模量有顯著提高；但隨著加入木纖維含量的提高，復合材料體系彎曲強度和拉伸強度會有所回升。

關鍵詞： 木纖維； 聚乳酸； 注塑成型； 力學性能； 纖維含量

中圖分類號： S 781. 7， TS 653 文獻標識碼： A

聚乳酸（PLA）是一種可以在植物淀粉中提取原料的塑料制品，具有高強度、可再生、可降解、易加工等優良特性，是替代現有石油基塑料的理想材料[ 1 ]。然而聚乳酸材料的價格相對較高，且不能長時間高溫加工，在一定程度上限制了它的發展和應用[ 2 - 3 ]。因此，相對加工過程較短、成型速度較快的注塑工藝，更適合聚乳酸材料的加工。將木纖維與聚乳酸復合，可以大大降低材料的成本，同時還能提高材料的某些性能[ 4 ] 。

本研究通過楊木纖維與聚乳酸進行復合，采用注塑工藝，制備高纖維含量的木纖維/PLA復合材料，并探討不同木纖維含量對復合材料彎曲性能和拉伸性能的影響。

1 試驗材料與方法

1. 1 材料及儀器

木材纖維：楊木纖維，40～80目， 取自黑龍江省拜泉縣。

聚乳酸：美國NatureWorks公司生產的3251D型聚乳酸粒料，熔融指數35 g/10 min，190 ℃。

試驗設備包括：電熱式鼓風恒溫干燥箱，DHG-9625A；高速混合機，SHR-10A；雙螺桿擠出機，SJSH30；注塑機，JPH80；電子萬能力學試驗機，RGT - 20A 。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 木纖維/聚乳酸復合材料的制備

將楊木纖維放置在溫度為103 ℃的烘箱中進行烘干，直至木纖維含水率≤3%。由于注塑工藝對材料的流動性能要求較高，因此選擇熔融指數較高的注塑型聚乳酸原料。將楊木纖維、聚乳酸粒料分別按質量份數為2/8，3/7和4/6進行稱重混合，然后放入高速混合機，先進行低速混合5 min后，再高速混合5 min，將混合后的原料加入雙螺桿擠出機進行進一步的熔融混合、擠出造粒。

將制備好的木纖維/聚乳酸粒料加入注塑機中進行注塑加工，直接注塑成密度為1.2 g/cm3的3種力學測試試件。注塑好的試件形狀均為拉伸試件的尺寸，厚度4 mm，長度15 mm。將部分試件剪切成符合GBT_1449《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》[ 6 ]中彎曲性能測試要求的試件尺寸10 mm×10 mm×4 mm（長×寬×厚）。

1. 2. 2 性能測試

參照GBT_1449《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》、GBT_1449《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，對復合材料的靜曲強度、彈性模量、拉伸強度等性能指標進行測試。每種配方有試件6塊，每項性能測試在每塊板材上取1塊試樣，測試結果取平均值。

2 結果與分析

由 試驗結果（表1）可以發現，木纖維的加入對注塑方法制備的木纖維/PLA復合材料的物理力學性能有顯著影響。木纖維含量對復合材料體系的力學性能也具有較為顯著的影響。

2. 1 木纖維含量對復合材料彎曲性能的影響

由圖2表1可以看出，加入木纖維后，木纖維/PLA復合材料的靜曲強度有微小的下降；隨著加入木纖維比例的增加，靜曲強度又有所提高。這是由于加入木纖維后，材料的整體連續性有所降低，然而當木纖維含量增加到一定比例后，聚乳酸基質的結晶度會有所提高，因此復合體系的靜曲強度也有所提高[ 5 - 6 ]。

另外，較少的纖維含量使體系中的木纖維分布并不能形成連續的增強結構，同時還會在一定程度上降低原有PLA分子鏈的連續性[ 8 ]，因此木纖維含量較少的試件其靜曲強度較低。當加入的木纖維含量逐漸增加，復合材料體系中的纖維能夠形成完整的增強體系，整體的靜曲強度又有所提高。

同時，純PLA試件的彈性模量較低，加入木纖維后復合材料的彈性模量有顯著提高，達到了100%以上。這主要是由于木纖維的加入增加了體系的結晶度和剛度，使彈性模量有所提高；同時，木纖維的加入使整個復合體系中PLA的分子鏈連續性降低，使得復合材料的彈性降低，因此復合材料在受到外力后變形程度減小。

2. 2 木纖維含量對復合材料拉伸性能的影響

試驗結果（圖3）表明，不同木材纖維含量復合材料的拉伸強度與復合材料靜曲強度的變化規律相一致，木纖維的加入會少量降低復合材料的拉伸強度。本研究中所使用的木纖維并未經過改性處理，因此木纖維與聚乳酸基質的界面結合并不十分牢固，木纖維的加入會在一定程度上降低PLA基質的完整性和連續性，當加入的木纖維較少時，木纖維在PLA基質中無法形成連續的分散狀態，因此未起到增強作用。木纖維較少時，某些纖維與PLA基質的結合處反而會使體系的薄弱點增加，因此拉伸強度會有所下降。隨著木纖維含量的增加，以木纖維為結晶起始點的PLA異相結晶現象也會有所增加，結晶度隨之提高，促使整個復合材料體系的拉伸強度提高。

圖3 不同復合材料的拉伸強度和拉伸模量

圖3表明，隨著木纖維含量的增加，體系的拉伸模量也隨之增加，結合表1中材料的斷裂伸長率數據分析可知，加入木纖維后，體系在拉力方向上的彈性減小，受力后體系形變減小。這是由于未加入木纖維前，體系中PLA分子鏈的結晶方式主要受加工中剪切作用和流道方向影響，與拉力方向一致，分子鏈在拉力方向上有較大的伸展變化空間；而加入了木纖維的復合材料體系中，木纖維與PLA基質之間的結合方式為橫向結晶方式[ 7 - 8 ]，結晶方向垂直于拉力方向，因此在受到拉力作用時可伸縮的空間較小。

3 結 論

3. 1 通過對3種木纖維/PLA復合材料樣品幾項性能的測試和分析得出，可以通過注塑成型的方式制備WF/PLA復合材料，需要選用熔指較高的聚乳酸原料進行制備。在聚乳酸體系中加入木纖維，對材料的力學性能有顯著影響；相比純聚乳酸材料，復合材料的彎曲強度和拉伸強度都有微小的降低，但其彈性模量有顯著提高。

3. 2 復合材料體系中木纖維的含量，會在一定程度上影響材料的彎曲性能和拉伸性能。較高含量的木纖維能夠使纖維分布更加連續，具有一定的增強效果，因此彎曲強度和拉升強度會優于前者。

3. 3 木纖維的加入，會在一定程度上改變復合材料體系中PLA的結晶形態、結晶度和結晶方向，因此，相比純PLA復合材料體系的彎曲模量和拉伸模量會顯著增加。

參考文獻

[1] 秦志永. 木纖維增強聚乳酸可生物降解復合材料的制備與性能表征[D]. 長沙： 中南林業科技大學， 2011.

[2] 郭文靜， 鮑甫成， 王正. 木纖維—聚乳酸復合材料性能與聚乳酸性能的相關性[J]. 高分子材料科學與工程， 2010， 26（2）： 62 - 65.

[3] 郭文靜， 鮑甫成， 王正. 復合方式對木纖維-聚乳酸生物質復合材料結構與性能的影響[J]. 北京林業大學學報， 2009， 31（4）： 106 - 111.

[4] 吳義強， 李新功， 秦志永， 等. 木纖維/聚乳酸可生物降解復合材料的制備和性能研究[J]. 中南林業科技大學學報， 2012， 32（1）： 100 - 103.

[5] 孫曉婷. 等溫結晶對木纖維/聚乳酸復合材料結晶與性能的影響[D]. 北京： 中國林業科學研究院， 2016.

[6] 宋慶龍， 溫慧穎， Jesperde Claville Christiansen， 等. 改性木纖維/聚乳酸復合材料的制備與性能研究[J]. 分子科學學報（中、 英文）， 2016（6）： 453 - 459.

[7] 劉一楠， 劉珊杉， 郭文靜. 木纖維尺寸對聚乳酸結晶特性的影響[J]. 西南林業大學學報（自然科學）， 2017， 37（2）： 184 - 191.

[8] 吳蘊忱， 劉珊杉， 劉巍巖. 木纖維尺寸對聚乳酸木纖維復合材料性能的影響[J]. 林業科技， 2017， 42（4）： 23 - 26.

第1作者簡介： 潘宇峰（1979 -）， 助理工程師， 研究生， 主要研究方向為木材及復合材料制備。

通訊作者： 劉欣（1980-）， 女， 碩士研究生， 副研究員。 研究方向： 林業科學。

收稿日期： 2018 - 05 - 15

（責任編輯： 潘啟英）

Abstract The injection moulding process was employed in this study to product the WF/PLA composites. WF/PLA. It was found that the injection moulding was a feasible method to prepare WF/PLA composites. The wood fiber would significance influence on the mechanical properties of WF/PLA composite： the bending strength and tension strength slightly lower than that of pure PLA， however with the increasing of wood fiber ratio the bending strength and tension strength is raise.

Key words Wood fiber； Poly（Lactic Acid）； Injection moulding； Mechanical properties； Fiber content