龚新怀,辛梅华,李明春,袁宏兴
(1华侨大学材料科学与工程学院,环境友好功能材料教育部工程研究中心,福建 厦门 361021;2武夷学院生态与资源工程学院,福建省生态产业绿色技术重点实验室,福建 武夷山 354300)
茶粉/聚乳酸复合材料的增韧改性
龚新怀1,2,辛梅华1,李明春1,袁宏兴1
(1华侨大学材料科学与工程学院,环境友好功能材料教育部工程研究中心,福建 厦门 361021;2武夷学院生态与资源工程学院,福建省生态产业绿色技术重点实验室,福建 武夷山 354300)
为高值化利用茶产业剩余物资源,以茶粉(TD)为生物质填料,聚乳酸(PLA)为基体,以甘油(GL)、聚乙二醇 400(PEG400)、环氧大豆油(ESO)和乙酰柠檬酸丁酯(ATBC)为增塑剂,制备了可降解 TD/PLA增韧复合材料,并采用红外吸收光谱、热重分析、转矩流变仪、扫描电镜及力学性能测试等考察了增塑剂对TD/PLA复合材料结构与性能的影响。结果表明:4种增塑剂都可改善TD/PLA复合材料的加工流变性,GL的添加不利于复合材料韧性,PEG、ATBC及ESO的添加提高了复合材料韧性,其中ESO增韧效果最佳,其添加制备的复合材料断裂伸长率及缺口冲击强度分别提高了154.23%和65.53%,GL增韧效果最差,ATBC增韧后复合材料力学强度和模量最高。FTIR分析表明,ATBC和ESO可与PLA发生一定相互作用,使C—O键红外吸收峰位增大,其增韧后复合材料吸水率下降。ESO添加提高了TD/PLA复合材料的维卡软化点和热稳定性。SEM图片显示,TD/PLA/ESO复合材料断面粗糙,ESO分散较均匀,与PLA部分相容,而TD/PLA/GL复合材料断面出现严重相分离结构。该研究结果可为进一步探索聚乳酸基茶塑复合材料制备及应用提供试验数据和理论参考。
茶粉;聚乳酸;生物质;复合材料;增韧;增塑剂
随着石化资源的日益短缺,对植物生物质资源的开发利用逐渐受到重视。茶饮是21世纪除水之外最流行的饮料,目前全球每年茶叶消耗量超过450万吨[1]。而在茶叶生产、流通及消费等环节中会产生大量的茶梗、茶末等废弃物,仅中国每年可产生500万吨以上的茶废弃物[2]。
茶废弃物作为一种廉价易得的木质纤维材料,主要由纤维素、木质素、半纤维素及抽提物等[3]组分组成,与木材纤维材料类似,可用于木塑复合材料制造。且茶废弃物中所含的少量多酚等活性组分可赋予复合材料抗氧化、抗菌性[4-5]。目前关于茶塑复合材料的研究报道主要是将其用于与脲醛树脂[6]、橡胶[4]、聚氨酯[7]、聚丙烯[8]、聚乙烯[9]等石油基树脂复合。但石油基树脂难以降解,最终会对环境造成污染和破坏;且随着石油资源的日益减少,石油基树脂的生产将难以为继[10]。制备和利用生物基聚合物是解决这个问题的有效方法。聚乳酸是生物质原料经发酵得到乳酸,再聚合制得的线性聚酯,无毒环保、完全可降解,且具有优良的力学性能和塑料加工性,被视为最有前景的生物基聚合物,用于替代石油基树脂[11]。而将环保、廉价的茶废弃物填充于聚乳酸可制备低成本的新型木塑复合材料,目前国内外尚未见相关报道。
但聚乳酸成本高、脆性大,在实际应用中受到一定限制[11]。将其与柔顺性树脂如聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯等共混,或者添加小分子量增塑剂及成核剂等可有效改善聚乳酸及其复合材料的脆性[12]。目前研究者报道了对聚乳酸树脂[13]、淀粉/聚乳酸复合材料[14-15]的增韧研究,但对聚乳酸基木塑复合材料的增韧研究则鲜见报道。
本试验以聚乳酸为基体脂,茶废弃物为生物质填料,分别以甘油、聚乙二醇400、环氧大豆油及乙酰柠檬酸丁酯为增塑剂,考察了4种增塑剂对茶粉/聚乳酸复合材料结构与性能的影响,为聚乳酸基茶塑复合材料的制备与应用提供一定的理论依据和实践指导。
1.1 试验材料
茶废弃物,取自茶叶加工厂,用前经自来水冲洗除杂。聚乳酸[poly[lactic acid],PLA],熔融指数(melt index,MI)为12g/10min(190℃,2.16kg),深圳光华伟业实业有限公司;聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)400(PEG400)、甘油(glycerol,GL),AR,国药试剂;环氧大豆油(expoxidized soybean oil,ESO)、乙酰柠檬酸丁酯(ATBC),含量97%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2 样品制备
将茶废弃物提取多酚等组分,然后过滤,将茶滤渣风干,在105℃下鼓风干燥12h,然后80℃真空干燥 6h,用机械研磨,标准分样筛取用 75~180μm茶粉(tea dust,TD)。将PLA经80℃鼓风干燥3h,密封备用。将茶粉、PLA及增塑剂按质量配比为30/70/12称料后,将物料搅拌混匀直至所有物料被增塑剂润湿,然后薄膜密封,并置于密封袋中过夜放置,使物料充分吸收增塑剂。
然后将混合物料加入XSS-300转矩流变仪(上海科创橡塑机械设备有限公司)中混炼,混炼温度为180℃,混炼速度40r/min,混炼7min。然后将物料用塑料粉碎机粉碎成粒料,转入 SA600/150注塑机(宁波海天塑料机械集团有限公司)注塑成型,得到聚乳酸基茶塑标准测试样条。注塑温度范围165~190℃,注塑压力45~55MPa,保压时间5s,模具冷却20~30s。
1.3 测试与表征
1.3.1 复合材料转矩流变性分析
将混合物料加入 XSS-300转矩流变仪进行混炼,从物料全部加入混炼室中开始计时,记录物料混炼7min后的扭矩及料温。混炼温度180℃,混炼速度10~50r/min,平行测试3次。
1.3.2 复合材料力学性能测试
采用ETM104B型电子式万能试验机(深圳万测试验设备有限公司),按GB/T 10402—2006测试复合材料的拉伸性能,拉伸速度为5mm/min,试样尺寸为 150.0mm×10.0mm×4.0mm;按 GB/T 9341—2008测试复合材料的弯曲性能,加载速度2mm/min,试样尺寸100.0mm×10.0mm×4.0mm,跨距60mm,规定挠度6mm;用ZBC7251-B型液晶式塑料摆锤冲击试验机(美斯特工业系统有限公司),按GB/T 1043—2008测试复合材料试样的简支梁缺口冲击强度,缺口类型为B型。试样皆平行测定6次,取平均值。
1.3.3 复合材料的吸水率测试
将复合材料于50℃下鼓风干燥12h,然后50℃真空干燥24h,在去离子水中分别浸渍2h、4h、8h、16h及24h后取出,用滤纸小心吸干表面水分,称量其质量,通过复合材料吸水前后的质量变化计算其吸水率。每个时间点平行测试3次,取平均值。
1.3.4 复合材料化学结构分析
在复合材料冲击断面刮取少量粉末,与溴化钾压片,在AVATAR-330傅里叶红外光谱仪(美国赛默飞世尔科技)上测定其红外光谱。
1.3.5 复合材料热性能测试
采用XRW-300HA型热变形维卡软化点测定仪(承州市大加仪器有限公司),按GB/T 1633—2000测定复合材料的维卡软化点,试样尺寸30.0mm×10.0mm× 4.0mm,平行测定3次,取平均值。
在复合材料断面刮取少量粉末样品于Q600同步热分析仪(美国TA公司)上测试其TG和DSC行为,N2氛围,温程为 30~500℃,升温速率10℃/min,氮气流速100mL/min。
1.3.6 复合材料断面微观形态观察
采用日立SU8010扫描电子显微镜(日本日立公司)观察复合材料拉伸断面形态,样品观察前经真空干燥和喷金处理。
2.1 复合材料转矩流变性分析
采用甘油(GL)、聚乙二醇400(PEG400)、乙酰柠檬酸丁酯(ATBC)及环氧大豆油(ESO)对茶粉/聚乳酸(TD/PLA)共混体系加工流变性的影响结果如图1所示。随着混炼中热和剪切作用的不断施加,物料表面开始熔融、塑化,黏度不断增加,随后达到峰值,即最大扭矩峰。随着混炼、塑化的继续深入,熔体内部物态、结构逐渐均匀,扭矩逐渐下降并达到一平衡值,即平衡扭矩,见图1(a)。最大扭矩和平衡扭矩的大小则反应了物料加工流变性的好坏[16]。润滑理论和凝胶理论常用来解释增塑剂对高聚物的增塑作用,润滑理论认为,增塑剂可起到润滑剂的作用,减小高分子间的摩擦作用,增加物料共混体系的流动性,有利于加工过程和提高材料的受力形变;凝胶理论认为增塑剂可以与高分子通过一定相互作用插入高聚物分子间,破坏并取代高聚物分子间的氢键、范德华力等作用,发挥增塑效果[17]。从图 1可知,4种增塑剂的加入都使TD/PLA复合材料的最大扭矩、平衡扭矩下降了,表明4种增塑剂都具有一定的润滑、增塑效果。其中以GL增塑共混体系最大扭矩、平衡扭矩下降幅度最小,而ESO增塑共混体系的下降幅度最大,表明ESO对TD/PLA共混体系的增塑效果最好,而GL增塑效果最差。这是由于3种增塑剂中,GL分子极性最大,与PLA相容性差,导致其与PLA分子间作用力较弱,难以插入到PLA分子间,GL降低物料混炼扭矩主要是由于它的润滑作用。而ESO与PLA极性相近,相容性较好,ESO分子容易与PLA分子链紧密接触;同时ESO分子链中含有多个环氧基,可与PLA端基形成氢键、甚至开环接枝等相互作用,其增塑机理为润滑机理和凝胶机理共同起到作用,因而增塑作用较强。
图1 不同增塑剂对茶粉/聚乳酸(30/70)共混体系加工流变性的影响
表1 茶粉/聚乳酸(30/70)复合材料增韧前后力学性能数据
2.2 复合材料力学性能测定及微观形态
TD/PLA复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度及弯曲模量分别为 41.16MPa±0.60MPa、4122.58MPa±64.92MPa、62.60MPa±0.36MPa和3935.79MPa±165.06MPa,是一种高强度、高模量复合材料,但在较小的拉伸应变下即发生断裂,脆性很大,断裂伸长率为6.86%±0.27%,缺口冲击强度为15.20J/m±0.77J/m,见表1。TD/PLA复合材料的应力应变曲线表现出典型的脆性材料特征,没有观察到明显的屈服点,如图 2。扫描电镜分析显示TD/PLA复合材料断面平整、光滑,呈现典型的脆性断裂特征,见图3(a)。
图2 茶粉/聚乳酸(30/70)复合材料的拉伸应力应变曲线
TD/PLA/GL增韧复合材料拉伸应力应变曲线仍然呈现脆性材料特征,未见明显的屈服点,表明GL增塑效果并不好。图 3(b)显示 TD/PLA/GL增韧复合材料断面清晰可见许多凹凸不平的孔穴结构,孔穴直径为几微米至十几微米不等,这是分布于基体中的GL分子团聚所致。由于GL分子含3个羟基,分子极性强,与PLA相容性差,出现严重的相分离结构,使得复合材料力学性能显著恶化,其拉伸强度、冲击强度、弯曲强度及模量等相对于增韧前出现明显下降,而断裂伸长率仅为 6.72%± 0.17%,与增塑前TD/PLA复合材料相当,表明GL增塑增韧效果较差。
PEG400、ATBC及ESO增韧后的TD/PLA复合材料的拉伸应力应变曲线可观察到明显的屈服点,发生塑性形变,呈现出韧性材料特征,表明这3种增塑剂的加入能对TD/PLA复合材料起到不同程度的增塑增韧作用,其中以 ESO增韧作用最明显。从图3(c)和图3(d)可知,ESO增韧后的TD/PLA复合材料拉伸断面粗糙、不平整,表现出明显韧性断裂形貌,且在PLA基体中可见细小的ESO残留空穴均匀分散其中,孔穴直径大多在纳米级别,可发挥较好的增塑效果,其拉伸断裂伸长率和缺口冲击强度分别为17.44%±0.98%和25.16J/m±0.60J/m,较增塑前的TD/PLA复合材料分别提高了154.23%和65.53%,但拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度及弯曲模量则分别下降了 53.21%、36.30%、41.92%和18.01%。这是由于ESO分子极性与PLA相近,相容性较好;且ESO分子中有多个高反应活性的环氧基,可与PLA的极性端基通过氢键、开环反应等相互作用[18],然后ESO分子中具有良好柔顺性的长链烷基可以隔绝PLA分子链与其他PLA分子链的分子间作用力,降低PLA分子链间作用力,起到增塑作用,从而使复合材料的拉伸强度、拉伸模量下降,而断裂伸长率增大[14]。
而PEG400和ATBC增韧后的复合材料断面上未见明显的增塑剂液滴残留的孔穴,材料断面表现出一定的粗糙度,见图3(e)和图3(f)。与增塑前的TD/PLA复合材料相比,PEG400和ATBC增塑后复合材料断裂伸长率分别提高了9.33%和13.12%,缺口冲击强度分别提高4.47%和4.08%。在4种增塑剂中,采用ATBC增韧后的复合材料表现出最佳的力学强度(表1),其拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别为29.79MPa±0.44MPa、3332.16MPa±71.35MPa、49.48MPa±1.30MPa和3528.16MPa±81.24MPa,较增韧前仅分别下降27.62%、19.17%、20.96%及10.36%。这可能是由于PEG和ATBC分子体积较大,在混炼中难以插入PLA基体中,导致大部分分散于TD与PLA的界面上,只能发挥有限的增塑增韧作用。ATBC分子上含有极性的羰基和非极性的碳链,可以起到改善TD与PLA的界面相容性[15],提高二者结合力,从而表现出具有较好的力学强度。
图3 茶粉/聚乳酸(30/70)复合材料拉伸断面SEM图
2.3 茶粉/聚乳酸复合材料的DSC分析
图4 茶粉/聚乳酸(30/70)复合材料增韧前后的DSC
DSC是用来测试样品在加热时热能量吸收和冷却时热能量释放行为的热分析方法,可以有效地测得高分子材料的玻璃化转变温度(Tg)、冷结晶温度(Tcc)和熔融温度(Tm)。TD/PLA复合材料增韧前后的DSC分析结果如图4所示。从图4中可知,未增韧的TD/PLA复合材料的Tg为67.25℃,Tcc为103.01℃,Tm为171.24℃,而增韧后的TD/PLA复合材料的Tg、Tcc及Tm都有不同程度的下降,表明GL、PEG400、ATBC及ESO的添加能够增强PLA分子链段运动能力,对TD/PLA复合材料起到增塑作用。对于GL、PEG400和ATBC 3种增塑剂而言,复合材料的Tg、Tcc及Tm下降趋势是逐渐增大的,表明它们的增塑增韧效果是逐渐增强的,这与增韧后复合材料的断裂伸长率变化趋势一致。但ESO增韧复合材料的Tg、Tcc及Tm并没有延续逐渐降低的趋势,反而有所提高。这是由于ESO分子上含有多个高反应活性的环氧基,可在PLA或TD之间通过氢键及开环反应形成交联点,如图5所示,一定程度上阻碍了ESO对PLA基体的增塑增韧作用,出现 Tg、Tcc及 Tm与反而有所提高的现象。XIONG等[14]在研究ESO对淀粉/聚乳酸复合材料的增塑增韧作用中亦得到类似的结果。作者认为ESO主要分散于PLA中起到增塑作用,同时也有部分可与淀粉羟基反应结合在一起。淀粉接枝马来酸酐后,可增强淀粉与ESO的反应能力。ESO用量继续增加,可与淀粉或 PLA形成交联结构,导致淀粉/PLA/ESO复合材料玻璃化转变温度反而增大,而增塑增韧效果下降。
图5 环氧大豆油与聚乳酸、茶粉的相互作用
2.4 茶粉/PLA复合材料吸水性能测试
茶粉/PLA复合材料及其增韧复合材料的吸水率如图6所示。从图6可知,随着浸水时间的延长,复合材料吸水率先快速增加,后缓慢增加。增韧前的TD/PLA复合材料在浸水时间24h后吸水率为1.18%±0.09%,采用GL和PEG400增韧后复合材料吸水率分别为2.80%±0.04%和2.05%±0.06%,分别增大了 137.29%和 73.73%。ESO和ATBC增韧后的TD/PLA复合材料吸水率变小,分别为 0.97%±0.08%和 1.11%±0.10%,下降了17.80%和5.93%,表明其耐水性得到改善。这主要是由于PEG400和GL分子上富含羟基,吸水性强,亲水性组分的添加必然导致复合材料的吸水率增大[15]。而ATBC和ESO分子中含有极性的羰基等,还有较长的非极性碳链,在 TD与 PLA界面能起到相容性作用,ATBC和ESO分子极性和亲水性小于PEG和GL,且能够改善TD与PLA的界面相容性,提高PLA对TD的界面黏结和包覆作用,降低TD上裸露羟基数量,从而降低复合材料的吸水率,ESO上高反应活性的环氧基能进一步改善TD与PLA的界面黏结作用,降低复合材料的吸水率。
图6 茶粉/聚乳酸(30/70)增塑复合材料吸水性能
2.5 复合材料的化学结构分析
不同增塑剂增韧TD/PLA复合材料的红外谱图如图7所示。图7中3400~3500cm-1为—OH伸缩振动吸收峰;3000~2900cm-1之间为—CH3伸缩振动吸收峰,2800~2900cm-1之间为—CH伸缩峰[19];1457cm-1、1380cm-1左右分别为—CH和—CH3弯曲振动峰[18]。1730~1760cm-1是C=O伸缩振动吸收峰;1513cm-1和1636cm-1附近代表了茶粉中木质素等组分上的苯环骨架振动峰;1000~1300cm-1为C—O伸缩振动峰[17]。
TD/PLA复合材料上在1620cm-1附近出现了代表TD组分的吸收峰。同时C—O伸缩峰从1088cm-1(PLA)迁移到了 1093cm-1(TD/PLA/ESO)、1089cm-1(TD/PLA/ATBC),C—O吸收峰的迁移代表了增塑剂与PLA的相容性和端基的相互作用,C—O红外峰位的增大可能是由于增塑剂与PLA端位羟基存在相互作用导致[17],而对于PEG及GL增韧后的复合材料而言,C—O红外峰位并没有变化,这可能是其与 PLA相容性不好或者相互作用较弱所致。
图7 茶粉/聚乳酸(30/70)增韧复合材料红外谱图
图8 茶粉/聚乳酸(30/70)增韧复合材料热性能
表2 不同增韧体系热分解失重温度数据
2.6 茶粉/PLA复合材料的热性能分析
2.6.1 茶粉/PLA复合材料的热失重分析
采用TGA测试了增韧前后TD/PLA复合材料的热性能,结果如图8和表2所示。从图8可知,复合材料增韧前后的TGA和DTG曲线大体类似,都只有一个明显的失重过程。
增韧前的TD/PLA复合材料的Tonset、T50%、T80%及 Tmax分别为 322.17℃、339.92℃、353.78℃和342.69℃,采用ESO增韧后复合材料热稳定性有所提高,其Tonset、T50%、T80%及Tmax分别为327.74℃、347.49℃、381.08℃和345.69℃,提高了5.57℃、7.57℃、27.3℃和3℃,这可能是由于ESO作为一种反应型增塑剂,可与不同的PLA端基或TD组分上基团发生了环氧基的开环交联反应所致[17]。
2.6.2 茶粉/PLA复合材料的维卡耐热性分析
TD/PLA增塑前后的维卡软化点(VSP)测试结果如图9所示。从图9可知,对于甘油、聚乙二醇 400、乙酰柠檬酸丁酯及环氧大豆油增韧后复合材料的VSP变化顺序与其Tg、Tcc及Tm变化趋势是一致的,增塑剂对TD/PLA复合材料的增塑增韧作用增强,其分子链链段运动能力提高,分子链柔顺性增强,材料断裂伸长率逐渐增大,而VSP降低。但环氧大豆油通过环氧基的开环反应形成交联点,能一定程度阻碍这种影响趋势,其增韧后的TD/PLA复合材料VSP反而有所升高。
图9 茶粉/聚乳酸(30/70)复合材料增韧前后的维卡软化点
以茶粉(TD)为生物质填料,聚乳酸(PLA)为基体树脂,考察甘油(GL)、聚乙二醇 400(PEG400)、乙酰柠檬酸丁酯(ATBC)及环氧大豆油(ESO)4种增塑剂添加对TD/PLA共混体系加工流变性、拉伸性能、吸水性、热性能及微观断面形态的影响,得到以下结论。
(1)GL、PEG400、ATBC或ESO增塑剂的添加,改善了 TD/PLA复合材料的加工流变性。GL添加不利于复合材料韧性,PEG400、ATBC及ESO增塑后复合材料断裂伸长率分别提高了 9.33%、13.12%和154.23%,缺口冲击强度分别提高4.47%、4.08%和65.53%。但力学强度及模量下降。SEM图片显示,ESO增韧后复合材料拉伸断面粗糙,在PLA基体中可见细小的ESO残留空穴均匀分散其中,表现出明显韧性断裂形貌。GL增韧复合材料出现严重的相分离结构。
(2)FTIR分析表明,ATBC和ESO增塑剂的加入,C—O键红外吸收峰位增大,表明ATBC和ESO具备更好的增塑增韧作用。GL、PEG400的加入,复合材料吸水率增大,而ATBC和ESO增塑剂的加入降低了复合材料的吸水率。
(3)DSC测试显示,GL、PEG、ATBC及ESO加入,复合材料的Tg、Tcc、Tm下降;TGA和VSP测试表明ESO添加可一定程度上提高了TD/PLA复合材料的热性能。
[1] BATIANCELA M,ACDA M,CABANGON R. Particleboard from waste tea leaves and wood particle[J]. Journal of Composite Materials,2014,48(8):911-916.
[2] 谢枫,金玲莉,涂娟,等.茶废弃物综合利用研究进展[J].中国农学通报,2015,31(1):140-145.
[3] TATUS A,KAZASKEROGLU Y,CICEKLER M. Evaluation of tea wastes in usage pulp and paper production[J]. Bioresources,2015,10(3):5407-5416.
[4] MASEK A,ZABORSKI M,KOSMALSKA A,et al. Eco-friendly elastomeric composites containing Sencha and Gun Powder green tea extracts[J]. Compets Rendus Chimie,2012,15(4):331-335.
[5] TAKAHASHI T,ASO Y J,KASAI W,et al. Improving the antibacterial activity against Staphylococcus aureus of composite sheets containing wasted tea leaves by roasting[J]. Journal of Wood Science,2010,56(5)403-410.
[6] HOU L J,SOONG H D,CHEN T T,et al. Manufacture and properties of particleboards by mixing green tea leaves waste with wood-based particles[J]. Forest Product Industries,2009;28(1):53-62.
[7] EKICI B,KENTLI A,KUCUK H. Improving sound absorption property of polyurethane foams by adding tea-leaf fibers[J]. Archives of Acoustics,2012,37(4):515-520.
[8] MATTOS B,MISSO A,DE CADEMARTORI P,et al. Properties of polypropylene composites filled with a mixture of household waste of mate-tea and wood particles[J]. Construction and Building Materials,2014,61(7):60-68.
[9] 于学领,宋剑斌,杨文斌,等.KH-550含量对茶梗粉/HDPE性能的影响[J].森林与环境学报,2015,35(1):92-96.
[10] HOPEWELL J,DVORAK R,KOSIOR E. Plastics recycling:challenges and opportunities[J]. Philosophical Transantions of the Royal Society B:Biological Sciences,2009,364(1526):2115-2126.
[11] 刘钰维,樊国栋,管园园,等.端羧基聚乳酸的扩链、改性及其性能[J].化工进展,2016,35(2):539-543.
[12] 邓艳丽,杨斌,苗继斌,等.聚乳酸增韧研究进展[J].化工进展,2015,34(11):3975-3978.
[13] 赵永青,陈福泉,冯彦洪,等.聚乳酸/环氧大豆油共混物的性能[J].化工学报,2014,65(10):4197-4202.
[14] XIONG Z,YANG Y,FENG J X,et al. Preparation and characterization of poly(lactic acid)/starch composites toughened with epoxidized soybean oil[J]. Carbohydrate Polymers,2013,92(1):810-816.
[15] 赵乾,徐斌,姜黎,等.乙酰柠檬酸三正丁酯增塑改性淀粉/聚乳酸共混材料的结构与性能[J].高分子材料科学与工程,2015,31(4):47-51.
[16] 张青,苏桂仙,李德玲,等.聚乳酸/田菁胶共混体系的加工流变性能研究[J].工程塑料应用,2014,42(1):62-67.
[17] CHIENG B,IBRAHIM N,THEN Y,et al. Epoxidized vegetable oils plasticized poly(lactic acid) biocomposites:mechanical,thermal and morphology properties[J]. Molecules,2014,19(10):16024-16038.
[18] LEONG Y,ABU BAKAR M,ISHAK Z,et al. Characterization of talc/calcium carbonate filled polypropylene hybrid composites weathered in a natural environment[J]. Polymer Degradation and Stability,2004,83(3):411-422.
[19] ZHOU X X,HUANG S S,YU Y,et al. Outdoor natural weathering of bamboo flour/polypropylene foamed composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites,2014,33(19):1835-1846.
Toughening of tea dust/poly(lactic acid) composites
GONG Xinhuai1,2,XIN Meihua1,LI Mingchun1,YUAN Hongxing1
(1Engineering Research Center of Environment Friendly Functional Materials,Ministry of Education,School of Material Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,Fujian,China;2Fujian Provincial Key Laboratory of Eco-Industrial Green Technology,Ecology and Resources Engineering College,Wuyi University,Wuyishan 354300,Fujian,China)
In order to make high-valued use of the tea waste,we prepared the toughened tea dust/poly(lactic acid)(TD/PLA)composites with a melt blending method,and using glycerol(GL),polyethylene glycol,epoxidized soybean oil(ESO)and tributyl acetylcitrate(ATBC)as plasticizers to improve the ductility of TD/PLA Fourier infrared absorption spectroscopy(FTIR),thermogravimetric analysis(TGA),torque rheometer(TR),scanning electronic microscopy(SEM)and mechanical test were adopted to study the effects of plasticizers on the structure and performance of TD/PLA blends. The results showed that the addition of GL,PEG,ESO or ATBC resulted in an improvement in the processing rheological properties and toughness,but a decrease in mechanical strength. The TD/PLAcomposites showed best toughness by adding ESO and the corresponding elongation at break and notched impact strength increased by 154.23% and 65.53%,respectively. The TD/PLA composites showed the best mechanical strength with ATBC and the worst ductility plasticized with GL. The interaction between ESO or ATBC and PLA was confirmed by a small shift of C—O stretching peak in the IR spectrum. The water adsorption of the composites decreased with the addition of ESO or ATBC but increased with PEG or GL. The vicat softening point and thermal stability of the TD/PLA composites were improved in the presence of ESO. The fracture surface SEM images of the composites indicated that ESO was well dispersed in PLA matrix and the fracture surface morphology was much rough,while there was distinct phase separation in the fracture surface of TD/PLA/GL composites.
tea dust;poly(lactic acid);biomass;composites;toughening;plasticizer
TQ 325.1-4
A
1000-6613(2016)10-3273-08
10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.036
2016-05-09;修改稿日期:2016-07-04。
福建省科技厅项目(2012N0027,2014N2013)及南平市科技计划产业支撑项目(N2015H02)。
龚新怀(1985—),男,博士研究生。从事生物质资源化利用和聚合物基复合材料研究。E-mail wyu_gxh@163.com。联系人:李明春,教授,博士生导师,从事功能高分子材料研究。E-mail mcli@ hqu.edu.cn。