麻增強(qiáng)型淀粉基復(fù)合膜的制備與力學(xué)性能研究*

云川

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

塑料的使用給人們帶來(lái)了極大的便利，但也帶來(lái)了嚴(yán)重的污染問(wèn)題。傳統(tǒng)塑料主要由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚酯(PET)等制備而成[1]，這些材料難以自然降解且原料為不可再生資源，對(duì)環(huán)境和資源產(chǎn)生了極大壓力。為了緩解傳統(tǒng)塑料所帶來(lái)的壓力，研究人員致力于研發(fā)可自然降解塑料，目前主要有聚乳酸塑料、聚己內(nèi)酯塑料、淀粉基塑料等[2]。由于淀粉價(jià)格低廉、來(lái)源豐富且可再生，近年來(lái)淀粉基塑料受到了極大關(guān)注[3]。但由于淀粉存在親水性強(qiáng)、成膜性差等缺陷[4]，當(dāng)塑料產(chǎn)品中淀粉含量增加時(shí)，材料的力學(xué)性能隨之下降，無(wú)法滿足應(yīng)用要求。因此，在提高淀粉基塑料中淀粉比例的同時(shí)，又要保證塑料具有良好的力學(xué)性能，成為淀粉基塑料研發(fā)的難點(diǎn)之一[5]。

為了解決淀粉基塑料力學(xué)性能不足的問(wèn)題，研究人員考慮使用增強(qiáng)基體材料來(lái)提高其力學(xué)性能。麻纖維因其優(yōu)異的拉伸性能和韌性，成為增強(qiáng)材料的不二選擇[6]。張傳偉等[7]將改性劍麻纖維、熱塑性淀粉和聚乙烯醇制漿，然后模壓發(fā)泡，制得麻增強(qiáng)熱塑性淀粉復(fù)合材料，探究了纖維長(zhǎng)度和用量以及模壓工藝對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響；周雙等[8]將劍麻纖維經(jīng)堿處理，然后將其與熱塑性淀粉、低密度聚乙烯混合，制備復(fù)合材料以增強(qiáng)其力學(xué)性能；劉興靜等[9]以熱塑性淀粉、聚丁二酸丁二醇酯為基體，麻纖維為填料，采用注塑法制備復(fù)合材料，探究了麻纖維含量、處理方式和麻種類對(duì)材料力學(xué)性能的影響。上述研究都是將麻纖維或改性麻纖維和熱塑性淀粉直接混合，經(jīng)處理后制備成膜。這種方法雖然能提高淀粉基塑料膜的力學(xué)性能，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，如麻纖維本身為親水性材料，易出現(xiàn)相分離現(xiàn)象；當(dāng)加工溫度較高時(shí)，麻纖維易炭化；麻纖維需磨成粉狀，成本較高等。因此，需要尋找一種工藝簡(jiǎn)便、成本較低，同時(shí)又能有效提高淀粉基塑料力學(xué)性能的方法。

本文采用熱壓復(fù)合的方法，將黃麻纖維網(wǎng)與淀粉基塑料膜(以下簡(jiǎn)稱淀粉膜)通過(guò)高溫?zé)釅簭?fù)合成膜。采用的淀粉膜由淀粉和低密度聚乙烯(LDPE)構(gòu)成，高溫下LDPE可熔融黏合，無(wú)需再添加其他物質(zhì)。此方法不僅可以提高淀粉膜的力學(xué)性能，還可保持淀粉膜的可降解性和低成本。近年來(lái)麻纖維應(yīng)用于地膜領(lǐng)域的研究較多，這種地膜在土地中有良好的降解性能[10]，同時(shí)具有增加土壤養(yǎng)分含量、降低土壤可溶性鹽含量[11]等優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用黃麻纖維為麻紡廠落麻，其主要性能見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用淀粉膜的平均面密度為16 g/m2，由龍巖裕豐環(huán)保科技有限公司產(chǎn)生，主要成分為改性玉米淀粉和LDPE，其中改性玉米淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。

表1 黃麻纖維的性能

試驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備：XQ-2型單纖維強(qiáng)伸儀，上海新纖儀器公司；Y171B型中段切斷器，常州市第二紡織機(jī)械廠；JN-B型精密扭力天平，上海良平儀器儀表有限公司；小型梳棉機(jī)，上海紡織工學(xué)院機(jī)械工廠；XLB型平板硫化機(jī)，上海齊才液壓機(jī)械有限公司；YG026MB-250型電子萬(wàn)能強(qiáng)力儀，溫州市大榮紡織儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 黃麻纖維成網(wǎng)

先對(duì)黃麻纖維進(jìn)行初步除雜，然后隨機(jī)選取一定質(zhì)量的黃麻纖維，將其均勻平鋪在小型梳棉機(jī)上，梳理得到不同面密度的均勻纖維網(wǎng)。將黃麻纖維網(wǎng)放置在溫度22 ℃、相對(duì)濕度65%的恒溫恒濕環(huán)境中平衡回潮48 h，備用。

1.2.2 麻增強(qiáng)型淀粉基復(fù)合膜的制備

將黃麻纖維網(wǎng)橫向放置在平板硫化機(jī)的熱壓區(qū)內(nèi)，將淀粉膜放置在黃麻纖維網(wǎng)上面，然后將另一塊同樣規(guī)格的黃麻纖維網(wǎng)縱向放置在淀粉膜上面，形成“夾心式”復(fù)合結(jié)構(gòu)。熱壓工藝設(shè)置不同的溫度、壓力和時(shí)間，制得麻增強(qiáng)型淀粉基復(fù)合膜(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合膜)。

1.2.3 斷裂強(qiáng)力測(cè)試

采用YG026MB-250型電子萬(wàn)能強(qiáng)力儀，參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》測(cè)試復(fù)合膜樣品的斷裂強(qiáng)力。測(cè)試條件：預(yù)加張力2 N，拉伸速度100 mm/min，隔距200 mm，樣品寬度50 mm。

1.2.4 撕裂強(qiáng)力測(cè)試

采用YG026MB-250型電子萬(wàn)能強(qiáng)力儀，參照GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3部分：梯形試樣撕破強(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試復(fù)合膜樣品的撕裂強(qiáng)力。測(cè)試條件：樣品長(zhǎng)度150 mm，樣品寬度75 mm，隔距25 mm，拉伸速度100 mm/min。

1.2.5 頂破強(qiáng)力測(cè)試

采用YG026MB-250型電子萬(wàn)能強(qiáng)力儀，參照GB/T 24218.5—2016《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第5部分：耐機(jī)械穿透性的測(cè)定(鋼球頂破法)》測(cè)試復(fù)合膜樣品的頂破強(qiáng)力。測(cè)試條件：樣品直徑130 mm，鋼球頂桿移動(dòng)速度300 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃麻纖維用量對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

在熱壓溫度為120 ℃、熱壓壓力為6 MPa、熱壓時(shí)間為120 s時(shí)，黃麻纖維用量(即黃麻纖維相對(duì)淀粉膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別選擇25.0%、87.5%、150.0%、212.5%、275.0%和337.5%，進(jìn)行熱壓復(fù)合處理，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強(qiáng)力如圖1和圖2所示。

圖1 黃麻纖維用量對(duì)復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力的影響

圖2 黃麻纖維用量對(duì)復(fù)合膜撕裂和頂破強(qiáng)力的影響

由圖1和圖2可以看出：隨著黃麻纖維用量的增加，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強(qiáng)力不斷增大；當(dāng)黃麻纖維用量為87.5%～212.5%時(shí)，復(fù)合膜的各項(xiàng)強(qiáng)力增幅較大；當(dāng)黃麻纖維用量小于87.5%和大于212.5%時(shí)，復(fù)合膜的各項(xiàng)強(qiáng)力增幅相對(duì)較小。在熱壓作用下，淀粉膜中LDPE的熔融可起到黏合作用，使得黃麻纖維網(wǎng)與淀粉膜復(fù)合在一起，黃麻纖維對(duì)復(fù)合膜起到增強(qiáng)作用。復(fù)合膜受到外力作用時(shí)，首先是黃麻纖維的伸展，以及LDPE分子鏈的拉伸和鍵長(zhǎng)、鍵角的變化，隨后是黃麻纖維斷裂或者從基體中拔出。當(dāng)黃麻纖維用量小于87.5%時(shí)，黃麻纖維較少，在復(fù)合膜中比較分散，淀粉膜的伸長(zhǎng)大于麻纖維，復(fù)合膜會(huì)因LDPE的拉伸斷裂而先斷裂，故開(kāi)始對(duì)復(fù)合膜的增強(qiáng)作用較弱。隨著黃麻纖維用量的逐漸增加，在受力方向上承受外力的黃麻纖維逐漸增多，使纖維斷裂和拔出所需要的力逐漸增大，復(fù)合膜的力學(xué)性能不斷提高。當(dāng)黃麻纖維用量超過(guò)212.5%時(shí)，由于復(fù)合膜為“夾心式”結(jié)構(gòu)，熱壓過(guò)程中傳熱受到阻礙，黃麻纖維與淀粉膜之間的黏結(jié)性變差，因此影響了增強(qiáng)效果，復(fù)合膜的強(qiáng)力增速變緩。

雖然黃麻纖維用量越大，復(fù)合膜的力學(xué)性能越好，但當(dāng)黃麻纖維用量大于212.5%時(shí)，其力學(xué)性能的增幅減緩，且黃麻纖維用量越大，復(fù)合膜的成本越高。綜合考慮成本及力學(xué)性能，黃麻纖維用量選擇相對(duì)淀粉膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為212.5%較適宜。

2.2 熱壓溫度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

當(dāng)黃麻纖維用量為212.5%、熱壓壓力為6 MPa、熱壓時(shí)間為120 s時(shí)，熱壓溫度分別選擇110、115、120、125、130、135 ℃，將黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜熱壓復(fù)合，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強(qiáng)力如圖3和圖4所示。

圖3 熱壓溫度對(duì)復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力的影響

圖4 熱壓溫度對(duì)復(fù)合膜撕裂和頂破強(qiáng)力的影響

由圖3和圖4可以看出：當(dāng)熱壓溫度低于125 ℃時(shí)，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強(qiáng)力均隨著熱壓溫度的升高而增大，125 ℃時(shí)三者均達(dá)到最大值；之后，三者隨熱壓溫度的升高呈下降趨勢(shì)。熱壓溫度從110 ℃上升到125 ℃時(shí)，復(fù)合膜的力學(xué)性能提高幅度較大，這是因?yàn)殡S著熱壓溫度的升高，淀粉膜中LDPE的軟化熔融變好，淀粉膜與黃麻纖維網(wǎng)的黏結(jié)更牢固，黃麻纖維的增強(qiáng)作用更明顯；當(dāng)熱壓溫度進(jìn)一步升高至135 ℃時(shí)，由于黃麻纖維是一種剛性較大的纖維素纖維，溫度過(guò)高會(huì)破壞黃麻纖維結(jié)構(gòu)，纖維受損而強(qiáng)力下降，其增強(qiáng)作用減弱，因此復(fù)合膜的力學(xué)性能下降。

由于125 ℃時(shí)復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強(qiáng)力與120 ℃時(shí)相差不大，從節(jié)約能源角度考慮，選擇熱壓溫度120 ℃較適宜。

2.3 熱壓時(shí)間對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

當(dāng)黃麻纖維用量為212.5%、熱壓溫度為120 ℃、熱壓壓力為6 MPa時(shí)，熱壓時(shí)間分別選擇30、60、90、120、150、180 s，將黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜熱壓復(fù)合，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強(qiáng)力如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以看出：當(dāng)熱壓時(shí)間小于150 s時(shí)，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強(qiáng)力都隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；隨后，再增加時(shí)間，斷裂強(qiáng)力降低，而撕裂和頂破強(qiáng)力雖呈增加趨勢(shì)，但增幅較小。熱壓時(shí)間由30 s增加到150 s時(shí)，復(fù)合膜的力學(xué)性能提高。這是因?yàn)閺?fù)合膜是通過(guò)淀粉膜中LDPE熔融黏結(jié)在一起的，淀粉膜與黃麻纖維網(wǎng)黏合需要一定時(shí)間，熱壓時(shí)間延長(zhǎng)，LDPE的熔融和流動(dòng)變好，淀粉膜和黃麻纖維的黏結(jié)更牢，從而強(qiáng)力得到不斷提高。當(dāng)熱壓時(shí)間達(dá)到150 s后，LDPE已充分熔融，并在黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜黏結(jié)處分布均勻，黏結(jié)較好。繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，復(fù)合膜在壓力作用下雖變得密實(shí)，但回彈性變差，因此復(fù)合膜的撕裂和頂破強(qiáng)力略微提高；斷裂強(qiáng)力下降可能是因?yàn)辄S麻纖維長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)釅?，使部分纖維受損，膜中出現(xiàn)弱節(jié)，影響斷裂強(qiáng)力。

圖5 熱壓時(shí)間對(duì)復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力的影響

圖6 熱壓時(shí)間對(duì)復(fù)合膜撕裂和頂破強(qiáng)力的影響

綜合上述分析，兼顧生產(chǎn)效率，熱壓時(shí)間選擇120 s較合適。

2.4 熱壓壓力對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

當(dāng)黃麻纖維用量為212.5%、熱壓溫度為120 ℃、熱壓時(shí)間為120 s時(shí)，熱壓壓力分別選擇2、4、6、8、10 MPa，將黃麻纖維網(wǎng)和淀粉膜熱壓復(fù)合，所得復(fù)合膜的斷裂、撕裂與頂破強(qiáng)力如圖7和圖8所示。

圖7 熱壓壓力對(duì)復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力的影響

圖8 熱壓壓力對(duì)撕裂和頂破強(qiáng)力的影響

由圖7和圖8可以看出：當(dāng)熱壓壓力小于6 MPa時(shí)，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強(qiáng)力都隨著熱壓壓力的增大而增大；當(dāng)熱壓壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，三者均達(dá)到最大；之后，隨著熱壓壓力的增大，復(fù)合膜的斷裂、撕裂和頂破強(qiáng)力呈下降趨勢(shì)。熱壓壓力小于6 MPa時(shí)，復(fù)合膜的力學(xué)性能隨熱壓壓力的增加而提高，這是因?yàn)闊釅簤毫纱龠M(jìn)熔融的LDPE流動(dòng)，有利于熔融液滴在黃麻纖維間的擴(kuò)散，更好地發(fā)揮其黏結(jié)作用。熱壓壓力越大，淀粉膜和黃麻纖維間的黏結(jié)越牢，從而復(fù)合膜的強(qiáng)力越高。當(dāng)熱壓壓力由6 MPa增大到10 MPa時(shí)，復(fù)合膜的力學(xué)性能下降，這是因?yàn)閴毫υ龃箅m然有利于LDPE的流動(dòng)擴(kuò)散，但同時(shí)也會(huì)將黃麻纖維網(wǎng)壓緊，纖維間的縫隙變小，增加了熔融LDPE擴(kuò)散浸透到黃麻纖維間的難度，不利于淀粉膜和黃麻纖維的黏合，致使復(fù)合膜力學(xué)性能下降。

綜上所述，熱壓壓力選擇6 MPa較合適。

3 結(jié)論

(1) 隨著黃麻纖維用量和熱壓時(shí)間的增加，復(fù)合膜的力學(xué)性能均呈上升趨勢(shì)；隨著熱壓溫度和熱壓壓力的增加，復(fù)合膜的力學(xué)性能呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢(shì)。

(2)通過(guò)單因素試驗(yàn)得到制備麻增強(qiáng)型淀粉基復(fù)合膜的較佳工藝：黃麻纖維用量212.5%，熱壓溫度120 ℃，熱壓時(shí)間120 s，熱壓壓力6 MPa。在此條件下制得的復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力為38.0 N，撕裂強(qiáng)力為2.0 N，頂破強(qiáng)力為15.8 N。