聚己內酯/竹粉發泡復合材料的制備及其性能研究

趙瑨云，劉明鋒

（1.武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300；2.福建省高校綠色化工技術重點實驗室，福建 武夷山 354300）

聚己內酯/竹粉發泡復合材料的制備及其性能研究

趙瑨云1,2，劉明鋒1,2

（1.武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300；2.福建省高校綠色化工技術重點實驗室，福建 武夷山 354300）

摘要：以聚己內酯（PCL）為基體，竹粉為共混物，無機NaHCO3和有機偶氮二異丁腈（AIBN）為發泡劑，通過開煉和熱壓成型制備PCL/竹粉發泡復合材料。研究竹粉含量、發泡劑用量及比例對PCL/竹粉密度和力學性能影響。實驗結果表明：AIBN量從0份增加到1份，PCL/竹粉密度從1.15 g/cm3減小到0.60 g/cm3。PCL/竹粉的拉伸強度和沖擊強度分別從10.0 MPa和9.2 KJ/m2降到3.9 MPa和5.3 KJ/m2。隨著竹粉含量增加，PCL/竹粉密度略有降低，然而竹粉含量從0份增加到20份拉伸強度和沖擊強度分別由7.5 MPa和18.1 KJ/m2降低到6.0 MPa和10.1 KJ/m2。竹粉含量進一步增加至30～60份，沖擊強度和拉伸強度略有減小。

關鍵詞：聚己內酯；竹粉；發泡劑；密度

能源危機和環境污染已成為當今世界發展的兩大難題[1-3]。隨著塑料在生活中用量增加，廢棄塑料造成的白色污染已經越來越嚴重。大部分廢棄塑料在自然界中是不可降解的，若廢棄后的塑料沒及時處理，這將會是我們生活中一個較大的污染源，因此開發研究可降解塑料將是當今世界的一個熱點主題[4-5]。我國竹材資源豐富，現有竹林總面積4.2×106hm2，竹材產量居世界第一。福建閩北地區是竹材資源豐富地區之一，在竹材生產加工過程中會產生大量的端材，竹粉，竹屑，目前廣泛價格低廉的竹粉資源的充分利用還是遠遠不足的。

我國廢棄塑料的污染嚴重，可降解性也比較低，雖然可以通過可降解聚合物來解決這一問題，但是其材料密度大，價格也比較昂貴，生產成本也比較高，因此，通過在可降解聚合物中添加竹粉和發泡劑既可以有效的降低材料的密度和減少生產成本，也解決了廢棄塑料不可以降解的難題[6-8]。還可以充分利用了閩北地區豐富的廢棄竹粉資源。因此本研究以可降解的PCL為基體，加入一定量竹粉共混。并加入無機發泡劑NaHCO3和有機發泡劑AIBN，研究發泡劑含量和比例對PCL/竹粉復合材料密度和力學性能影響。

1　實驗部分

1.1原料

偶氮二異丁腈（AIBN），分解溫度為64℃，化學純，上海試四赫維化工有限公司；鈦酸酯偶聯劑，化學純，南京品寧偶聯劑有限公司；碳酸氫鈉，分解溫度為50℃，分析純，廣東汕頭市細隴化工廠；竹粉，90目，自制；聚己內酯（PCL），南京宇部化工有限公司。其它試劑均為市售。

1.2儀器和設備

電熱鼓風干燥箱（DHG-9075A），上海慧泰儀器制造有限公司；開放式煉塑機（SK-100），上?？苿撓鹚軝C械設備有限公司；電動加硫成型機（BL-6170-A），實輪精密檢測儀器有限公司；擺錘式沖擊試驗機（ZBC7251-B）美斯特工業系統有限公司；微機控制電子式萬能實驗機（WDW-2E）中國濟南試金集團有限公司；電子天平（DY202K）上海民僑精密科學儀器有限公司。

1.3PCL/竹粉發泡復合材料制備

PCL/竹粉發泡復合材料的制備流程圖如圖1所示。把一定量竹粉在110℃烘箱中干燥6 h取出。然后準確稱取鈦酸酯偶聯劑（竹粉含量的5%），二者混合，在雙錕開煉機上120℃混煉，進行表面改性處理，制成改性竹粉。取100份PCL，然后在開煉機上密煉（55℃），根據配比加入改性竹粉和發泡劑，不停的打三角包，割刀，取出，再投入開煉機上，混合均勻后（約30 min），取出冷卻、切片。將上述切片放入模具內，在平板硫化機上80℃，4 MPa，保溫15 min，然后升溫到110℃，保溫15 min停止。然后不加壓力冷卻。冷卻充分后開模取樣，24 h后裁樣測試其性能。

圖1 PCL/竹粉制備流程圖

1.4表征

復合材料的沖擊強度按照GB/T1043-92標準，采用液晶式塑料擺錘試驗機測試缺口試樣的簡支梁沖擊強度，平行測試5個樣，取平均值；復合材料的拉伸強度采用WDW-2E微機控制電子式萬能實驗機，按照GB/T1040-92標準測試斷裂拉伸強度，拉伸速度為5 mm/min，平行測試5個樣，取平均值。

2　結果與討論

2.1發泡劑量的影響

為了研究發泡劑的量對PCL/竹粉發泡復合材料性能的影響，本次實驗取PCL 100份，竹粉30份，鈦酸酯偶聯劑 1.5份，AIBN發泡劑的量分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8和1份，無使用發泡劑NaHCO3。發泡劑AIBN的量對PCL/竹粉密度的影響如圖2(a)所示。在一定范圍內隨著AIBN量從0份增加1份，復合材料的密度從1.15 g/cm3減小到0.60 g/cm3。主要因為隨著AIBN的增加，其分解放出氣體增加，使復合材料形成的氣孔數增加，從而導致復合材料密度降低。圖2 (b)為AIBN用量對PCL/竹粉拉伸強度和沖擊強度影響。隨著AIBN量從0份增加1份，復合材料的拉伸強度和沖擊強度分別從10.0 MPa和9.2 KJ/m2降到3.9 MPa和5.3 KJ/m2。這是因為隨著發泡劑量的增加，復合材料內的產生了比較多的孔隙，孔隙率的增加導致了拉伸強度和沖擊強度降低。

圖2發泡劑用量對密度、拉伸強度、沖擊強度的影響

2.2竹粉用量的影響

為了研究竹粉用量對PCL/竹粉密度和力學性能影響，取PCL 100份，AIBN 0.6份，偶聯劑1.5份，竹粉的量分別為0，10，20，30，40和50份。圖3(a)為竹粉用量對PCL/竹粉密度的影響。隨著竹粉含量從0份增加到40份，PCL/竹粉的密度略有增加，從0.57 g/cm3增加到0.69 g/cm3。主要因為發泡在塑料的熔體內進行，竹粉的增加導致了能發泡的熔體相對減少，所以在竹粉量從0份增加到40份材料的密度會增加。隨著竹粉的含量進一步增加到50份，PCL/竹粉的密度反而減小到0.66 g/cm3。這是因為竹粉的密度較小，這時候竹粉為主導因素，加上發泡劑的一些發泡，導致了復合材料的密度稍微有點降低。

圖3(b)為竹粉含量對拉伸強度和沖擊強度影響，隨著竹粉含量增多，拉伸強度和沖擊強度都下降。但是竹粉含量從0份增加到20份拉伸強度和沖擊強度分別由7.5 MPa和18.1 KJ/m2降低到6 MPa和10.1 KJ/m2。因為竹粉是剛性的，竹粉的加入破壞了PCL塑料基體的連續性質，加上竹粉內含有大量的羥基，隨著竹粉量的增加，竹粉和PCL的結合能力減小，而且又有較多內氫健存在，這樣對能量的傳遞和擴散很不利。所以隨著竹粉量的增加復合材料的拉伸性能降低[9]。隨著竹粉含量進一步增加至30～60份，拉伸強度和沖擊強度略有下降。這是因為竹粉也具有了一定的剛度和剛性，在竹粉量大于30份的時候，竹粉量增加，這樣使得了復合材料的拉伸和沖擊性能下降不會那么大。

圖3竹粉用量對密度、拉伸強度、沖擊強度的影響

2.3發泡劑比值

發泡劑按種類可以分成無機發泡劑和有機發泡劑，根據在發泡過程中的熱量變化發泡劑也可以分為吸熱型和放熱型發泡劑。放熱型發泡劑如NaHCO3，其發泡過程比較緩慢，而放熱型發泡劑如AC發泡劑、偶氮類發泡劑，其分解溫度較高，分解速度快，易造成熔體局部過熱等現象而使發泡過程難以控制。選擇無機吸熱型發泡劑和有機放熱型發泡劑混合使用，使發泡過程達到一個平衡，使高發氣量和較好的泡體質量得到統一[10]。

本實驗采用無機吸熱型發泡劑和放熱型發泡劑AIBN相結合，發泡劑總量為0.6份，PCL 100份，竹粉30份，鈦酸酯偶聯劑1.5份，研究發泡劑比值（NaHCO3:AIBN）對PCL/竹粉復合材料性能影響。從圖4(a)可知，單純吸熱型發泡劑NaHCO3發泡效果比較差，可能是因為分解速度緩慢，分解溫度比較低，分解溫度范圍廣，在混煉的過程中可能提前分解。一定比例NaHCO3和AIBN共混發泡效果比較好，因為NaHCO3是吸熱型發泡劑，AIBN是放熱型發泡劑，兩個發泡劑在分解時吸收的能量跟放出的能量部分中和抵消，達到了一個平衡，從而使發泡劑發泡的熱效應明顯降低，這樣有效的降低了發泡劑發泡能力波動對復合材料加工工藝不利影響[11]。從而使發泡效果比較理想，得到孔隙率比較均勻的復合材料。隨著發泡劑中AIBN含量的增多，PCL/竹粉復合材料的拉伸強度和沖擊強度均下降。

圖4發泡劑比值對密度、拉伸強度、沖擊強度的影響

3　結論

以聚己內酯（PCL）為基體，竹粉為共混物，以無機NaHCO3和有機AIBN為引發劑，通過開煉和熱壓成型制備PCL/竹粉發泡復合材料。在可降解聚合物PCL中添加竹粉和發泡劑既可以有效的降低材料的密度和減少生產成本，也解決了廢棄塑料不可降解的難題還可以充分利用了閩北地區豐富的廢棄竹粉資源。

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（責任編輯：葉麗娜）

中圖分類號：TQ32

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2109(2015)12-0042-04

收稿日期：2015-04-05

基金項目：福建省教育廳項目（JK2012055）；福建省自然科學基金（2012N0027）；南平市科技局[N2011WZ05，N2012Z06(6)]，國家大學生創新性實驗（201210 397003）。

通訊作者：趙瑨云（1983-），男，漢族，講師，主要從事天然高分子研究。

Fabrication and Properties of PCL/bamboo Power Foamed Composites

ZHAO Jinyun1,2，LIU Mingfeng1,2

(1.Schoo1 of Eco1ogica1 and Resources Engineering,Wuyi University,Wuyishan,Fujian 354300; 2.Key Laboratory of Green Chemica1 Techno1ogy in Fujian,Wuyishan,Fujian 354300)

Abstract:Po1ycapro1actone(PCL)/bamboo power foamed composites were fabricated by mixing and hot press mo1ding using PCL as matrix,bamboo power as b1ending and inorganic NaHCO3and organic AIBN as foaming agent.The effect of the content of bamboo power and foaming agent and the ratio of foaming agent on the density and mechanica1 properties were studied.The resu1ts showed that the density of PCL/bamboo power decreased from 1.15 to 0.60 g/cm3with increasing AIBN content from 0 to 1 portion.Moreover,the tensi1e strength and impact strength decreased from 10.0 MPa and 9.2 KJ/m2to 3.9 MPa and 5.3 KJ/m2,respective1y.The density of PCL/bamboo power s1ight1y decreased with increasing bamboo power content.However,the tensi1e strength and impact strength decreased from 7.5 MPa and 18.1 KJ/m2to 6 MPa and 10.0 KJ/m2with increasing power content from 0 to 20 portion.With increasing bamboo power content to 30-60,the tensi1e strength and impact strength s1ight1y decreased.

Key words:po1ycapro1actone;bamboo power;foaming agent;density