光老化时间对旱柳枝桠材纤维/聚乳酸复合材料性能的影响

刘一楠 刘珊杉 王春明

摘要：  采用自然光对比不同纤维含量木纤维/聚乳酸复合材料进行光照老化试验，对比经过不同时间光照后材料的弯曲性能以及拉伸性能的变化，分析光照时间对材料力学性能的影响。结果显示，加入木纤维后，复合材料的弯曲强度和拉伸强度均出现了先下降后上升的趋势，说明加入一定量的木纤维会对复合材料体系起到一定的增强作用;在受到一定时间的自然光照射后，纯聚乳酸材料和木纤维/聚乳酸材料的弯曲性能和拉伸性能均有显著降低，含有木纤维的复合材料强度降低较少。

关键词：  聚乳酸;  枝桠材;  木纤维;  光照老化;  力学性能

中图分类号：   S 781. 21， TS 653. 5                  文献标识码：   A                  文章编号：1001 - 9499（2019）03 - 0001 - 04

聚乳酸是一种由植物淀粉及纤维素中的糖经过生物发酵，最终聚合而成的可完全降解的高分子材料[ 1 ]，其拥有较好的力学性能、尺寸稳定性和热稳定性。在户外环境可以被微生物完全降解，是一种环境友好型材料，被广泛应用于农林行业、包装行业以及医药卫生行业[ 2 ]。在聚乳酸材料中加入木纤维，制备木纤维/聚乳酸复合材料，不但能降低聚乳酸的原料成本，同时也能保证其良好力学性能，加入的木纤维也属于天然材料不会对环境造成污染[ 3 ]。聚乳酸作为一种可降解材料，其材料在使用过程中的降解现象会极大地影响其性能以及应用途径。

目前，对聚乳酸降解的研究主要集中在两个方面：一是聚乳酸的微生物降解方向[ 4 - 6 ]，主要用于农林行业产品在户外使用时材料的降解行为的研究。二是聚乳酸的酶降解方向[ 7 - 9 ]，主要用于医疗用品行业。然而，由于聚乳酸是一种可降解的高分子材料，在室外环境下使用时难免受到阳光中紫外线的照射而产生相应的降解作用。降解作用会在一定程度上改变材料的强度、颜色等性能，因此，在制备室外环境下使用的产品时需要考察紫外线作用对其产生的影响。

本研究采用注塑成型工艺，制备出不同木纤维含量的木纤维/聚乳酸复合材料，通过对比不同室外光照条件下复合材料的性能变化，得出日照时间对木纤维/聚乳酸复合材料弯曲性能、拉伸性能的影响。

1 试验材料与方法

1. 1 材料及仪器

木材纤维：林区旱柳（Salix matsudana Koidz）枝桠材，粉碎后使用，粉碎规格40～80目， 望奎县灯塔乡东华花木经销处购进。

聚乳酸：美国NatureWorks公司 3251D型聚乳酸粒料，熔融指数35 g/10 min，190 ℃。

试验仪器：电热式鼓风恒温干燥箱，DHG-

9625A，上海一恒科学仪器有限公司;高速混合机，SHR-10A，张家港市通河橡胶机械有限公司;双螺杆挤出机，SJSH30，南京橡塑机械厂;注塑机，JPH80，顺德市秦川恒利塑机有限公司;电子万能力学试验机，RGT-20A，深圳瑞格尔仪器有限公司。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 木纤维/聚乳酸复合材料的制备

将旱柳枝桠材纤维放置在温度为103 ℃的烘箱中烘干12 h以上，直至含水率≤3%。按表1中的原料配比将木纤维与聚乳酸进行称重，并放入高速混料机，先进行低速混合5 min后再高速混合5 min。将充分混合后的原料放入双螺杆挤出机进行熔融混合，然后将挤出的复合材料放入粉碎机中造粒备用。

将制备好的木纤维/聚乳酸粒料加入注塑机中进行注塑加工，直接注塑成密度为1.2 g/cm3的力学测试试件。注塑好的试件形状均为拉伸试件的尺寸，厚度4 mm，长度15 mm;将部分试件裁切成符合GBT_1449 2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》中弯曲性能测试要求的试件尺寸。将制备好的复合材料试件分为相同数量的4个部分置于光线充足的干燥环境中进行自然光线的照射，时间分别为：不接受光照、光照时间6个月和光照时间12个月。将光照完成试件在同一时期进行力学性能测试。

1. 2. 2 性能测试

参照GBT_1449 2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》、GBT_1447《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》对复合材料的静曲强度、弹性模量、拉伸强度进行测试。不同原料配比在每种光照时间条件下放置8个试样，测试结果求得平均值（表2）。

2 结果与分析

2. 1 光照时间对复合材料弯曲性能的影响

不同木纤维含量的木纤维/聚乳酸复合材料，随着所受自然光照时间的增加，材料的静曲强度都会出现显著的下降（表2）。由图1可以发现，不同光照时间对木纤维/聚乳酸静曲强度的影响为：未加入木纤维的纯聚乳酸试样，经过12个月的时间光照后，其材料的弯曲性能下降最为显著。原因分析：对具有相同分子构型的聚乳酸材料来说，影响其力学性能的主要因素是材料的分子量和结晶度。聚乳酸分子经过长期光照会使其大分子链产生断链，加速降解过程，使分子量减小、结晶度降低，力学强度也随之下降;在聚乳酸中加入木纤维制备成复合材料冷却成型的过程中，聚乳酸还会以木纤维为结晶点生成结晶[ 10 ]。因此，木纤维在一定程度上保护了聚乳酸分子链的连续性，同时也减少了光照对分子链的破坏作用。从图1中可以发现，加入木纤维的木纤维/聚乳酸复合材料在經过长时间光照后，其弯曲强度的下降要明显少于纯聚乳酸试件。在复合材料中加入的木纤维含量越高，光照后材料弯曲强度下降的就越少。

图2 显示，不同光照时间对木纤维/聚乳酸复合材料弯曲弹性模量的影响为：添加木纤维的材料其弯曲弹性模量都显著提高，这是由于木纤维作为一种高定向性的天然高分子材料，具有较高的刚性，因此木纤维的加入能够增加复合材料整体的刚性。

在经过不同时间的光照后，无论纯聚乳酸材料还是加入了木纤维的复合材料，其弯曲模量都会随着光照时间的增加而降低。这是由于当光照使聚乳酸分子链发生断裂后，分子链之间的连接更弱，活动范围更大，材料刚性降低。在木纤维/聚乳酸复合体系中，光照会使部分木纤维与聚乳酸的结合失效、产生空隙，造成材料整体的刚性下降。

2. 2 光照时间对复合材料拉伸性能的影响

图3显示，不同光照时间使木纤维/聚乳酸材料的拉伸强度产生变化。与弯曲强度所显示的趋势相似，加入木纤维的聚乳酸/木纤维复合材料体系的拉伸强度呈现了先降低后提高的趋势，这是由于纯聚乳酸材料本身体系的连续性和结晶特性使得其拉伸强度较大，而加入少量木纤维后体系的连续性被破坏;但是加入的纤维较少，未能起到足够的增强作用，因此材料拉伸性能会有所降低。当加入的木纤维含量增加后，木纤维的增强作用得以体现，整体材料的拉伸强度又有所提高。

光照作用对纯聚乳酸材料的作用效果最为明显，光照时间越长，分子链断裂变短的现象越多，材料整体的拉伸性能也越低。这是因为光照会加速聚乳酸分子链的断裂，使原本大的分子链变短，变短后的分子链之间的结合力也相应减弱，在受到拉伸外力的作用下更容易产生断裂。加入木纤維后，复合材料体系同样会受到光照作用的影响，但由于木材纤维的分子链相对稳定并且抗光老化能力较强，因此材料整体的耐老化效果增强，拉伸强度也有所提高。

随着木纤维的加入，木纤维/聚乳酸复合材料体系的拉伸形变减小，拉伸模量提高（图4）。这是由于相比聚乳酸分子链，加入的木纤维分子链平行纤维方向的拉伸强度更高而弹性更小，可伸长率也更低，因此整体拉伸模量更高。在经过长时间的光照后，木纤维/聚乳酸复合材料的拉伸模量也大幅降低，造成此种现象的原因同样是由于聚乳酸分子链断链、木纤维与聚乳酸结合减弱等因素共同作用的结果。

3 结 论

当在室外环境使用复合材料时，聚乳酸材料的大分子链会受到自然光的作用而产生一定的降解和断链，这对聚乳酸材料的性能会产生较大的影响。本研究采用在聚乳酸中加入木纤维的方法，制成了木纤维/聚乳酸木塑复合材料，并研究了不同木纤维含量复合材料受到光照作用后力学性能的变化。研究发现，随着木纤维的加入，复合材料的弯曲性能和拉伸性能均呈现先降低、后提高的趋势，说明少量木纤维的加入，会降低材料体系的连续性，但是一定量的木纤维的加入，会对材料的整体性能起到增强作用。随着光照时间的延长，纯聚乳酸与木纤维/聚乳酸复合材料的各项性能均有较大降低，但含有木纤维复合材料的性能降低幅度较小，说明木纤维的加入能够减小自然光对复合材料性能的破坏作用。

参考文献

[1] 王战勇.  聚乳酸降解菌的选育及其解聚酶研究[D].  长春：东北师范大学，  2011.

[2] Nampoothiri K M， Nair N R， John R P. An overview of the recent developments in polylactide （PLA） research[J]. Bioresource Technology， 2010， 101（22）： 8 493-8 501.

[3] Oksman K， Skrifvars M， Selin J F. Natural fibres as reinforcement in polylactic acid （PLA） composites[J]. Composites Science & Technology， 2003， 63（9）： 1 317-1 324.

[4] 张硕.  降解PLA菌株的选育及相关研究[D].  长春：  东北师范大学，  2007.

[5] 顾晓华，  宋雪，  曾鹏，  等.  全生物降解PLA/PBC薄膜的制备及性能研究[J].  中国塑料，  2015（2）：  49 - 52.

[6] 扈蓉，  陈丽琼，  黄开胜，  等.  PLA在受控堆肥条件下的生物降解行为研究[J].  塑料科技，  2012（8）：  42 - 45.

[7] 王佳丽.  聚乳酸酶解的影响因素和过程研究[D].  长春：  东北师范大学，  2015.

[8] 毛海龙，  刘慧芳，  王战勇.  聚乳酸的酶促降解研究[J].  工程塑料应用，  2014（2）：  70 - 73.

[9] 刘建伟，  赵强，  万昌秀.  医用聚乳酸体内降解机理及应用研究进展[J].  航天医学与医学工程，  2001， 14（4）：  308 - 312.

[10] 刘一楠，  刘珊杉，  郭文静.  木纤维尺寸对聚乳酸结晶特性的影响[J].  西南林业大学学报，  2017（2）：  189 - 191.

第1作者简介：  刘一楠（1983-），  男，  博士，  助理研究员，  研究方向：  生物质复合材料及可降解材料。

收稿日期： 2019 - 03 - 29

（责任编辑：   潘启英）