生物質(zhì)秸稈/聚乳酸材料的制備及成型研究進展

丁詩娟 朱西詩 陳慧榕 裴培

摘要：生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料這一新材料作為資源循環(huán)的研究熱點，具有機械性能、生物可降解性以及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，被廣泛研究。本文通過分析生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料的制備及成型加工方法，研究了其在成型制備過程中的工藝參數(shù)，并對復(fù)合材料現(xiàn)狀進行分析。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)秸稈；聚乳酸；成型方法；3D打?。荒撼尚?/p>

中圖分類號：TB33；TB48 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2021） 06-0038-05

Progress in Preparation and Molding of Biomass Straw/ Polylactic Acid Composites

DING Shi-juan， ZHU Xi-shi， CHEN Hui-rong， PEI Pei（Changsha normal University， Changsha 410000， China）

Abstract： As a research hotspot of resource cycle， biomass straw/polylactic acid composite has the advantages of mechanical properties， biodegradability and chemical stability， so it has been widely studied. In this paper， the preparation and processing methods of biomass straw/polylactic acid composites were analyzed， the process parameters in the molding process were studied， and the current situation of the composites was analyzed.

Key words： biomass straw； polylactic acid； molding method； 3D printing； molding

1 背景介紹

過去的十年中，每年大約產(chǎn)生1400萬噸傳統(tǒng)塑料包裝廢物，其中只有160萬噸通過回收利用，其余的最終被送往垃圾填埋場，回收率僅有11.4%[1]。因此，開發(fā)具備節(jié)約能源、保護生態(tài)環(huán)境、可回收利用等特性的生態(tài)型包裝材料，具有重要且緊迫的現(xiàn)實意義。

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年可生產(chǎn)生物質(zhì)秸稈10.9億多噸[2]，產(chǎn)量大但利用率低，且大部分生物質(zhì)秸稈未得到良好的處理。生物質(zhì)秸稈材料來源廣、資源豐富，被認(rèn)為是目前具備發(fā)展前景的生物質(zhì)能源之一。因此，合理利用生物質(zhì)秸稈是節(jié)能減排、提升資源經(jīng)濟價值最主要的途徑之一。

聚乳酸是目前3D打印材料最常用材料，是具有良好力學(xué)性能、加工制造性能、生物相容性的熱塑性可降解材料[3]。然而其主要缺陷是成本高，難以普遍化、產(chǎn)量化使用。為此，利用大量產(chǎn)生的秸稈生物質(zhì)原料復(fù)合“綠色高分子材料”聚乳酸，既能降低成本，又能保護環(huán)境；既能廢物利用，又能為綠色制造技術(shù)提供生態(tài)型原材料。

成型方法對于高分子材料的性能與使用效能有重要作用。目前，對于生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料的成型方法主要集中在熱壓成型、擠出成型、模壓成型、注塑成型、3D打印成型等，本文主要綜述了目前生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料制備過程中常見的成型方法，以及各研究者在制備過程中的工藝參數(shù)設(shè)置。

2 成型方法綜述

2.1 熱壓成型

熱壓成型是指在加熱的模具中注入物料，以壓力作用將模型固定于加熱板中，通過控制溫度使得物料熔融、硬化、冷卻，最終脫模成型[4]。熱壓成型所得產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量高，精度高，物料粒徑與晶型保存度高。其不足之處在于所需模具數(shù)量多，且使用壽命短[5]。

左迎峰[6]等人采用熱壓成型工藝制備了不同堿處理濃度、溫度、時間下的竹/聚乳酸復(fù)合材料，熱壓工藝參數(shù)設(shè)置為熱壓溫度160℃、壓力10MPa、熱壓時間20min，熱壓模具為200×120×5mm3。吳蘊忱[7]等人將楊木纖維/聚乳酸復(fù)合材料顆粒均勻放入熱壓機，在不加壓的條件下對原料進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度180℃，預(yù)熱時間3min；在180℃、2.5MPa的條件下對原料預(yù)壓3min，然后對原料繼續(xù)加壓至10MPa并保持3min，最后將熔融狀態(tài)的板材迅速取出并放入冷壓機冷壓成型。胡建鵬[8]等采用熱壓法制備了木纖維/木質(zhì)素磺酸銨/聚乳酸復(fù)合材料，在熱壓溫度170℃、熱壓壓力6MPa的條件下，通過響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計獲得材料最佳成型工藝。結(jié)果表明，PLA添加量33%、MIL添加量25%、熱壓時間7.5min下，復(fù)合材料靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度最佳。

2.2 擠出成型

擠出成型工藝是指塑料聚合物通過擠出機輸料口，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)螺桿的輸料段、壓縮段、均化段后，物料熔融均化物通過擠出機口模擠出，在冷卻水作用下，形成具有一定尺寸的塑料制品[9]。

Shanshan Lv[10]等人通過熔融共混成型探究了馬來酸酐接枝木粉/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能。采用雙螺桿擠出機對木粉/聚乳酸混合物體系進行樣品造粒，工藝參數(shù)為：螺桿直徑：21.7mm，加工長度40D，螺桿轉(zhuǎn)速100 rpm，溫度設(shè)置：135℃、150℃、170℃、170℃、135℃。將混合物顆粒送入單螺桿擠出機擠樣，螺桿直徑20mm，加工長度20D，溫度設(shè)置為150℃、170℃、170℃。陸文君[11]等人為探究EVA、EBS對木粉/聚乳酸復(fù)合材料的性能影響，使用雙螺桿擠出機進行共混造粒，在使用單螺桿擠出機擠出直徑為1.75±0.05mm的3D打印線材。其中雙螺桿擠出機參數(shù)設(shè)置為130℃-175℃，單螺桿擠出機溫度參數(shù)設(shè)置為180℃/190℃/195℃/190℃。王洪艷[12]等人將共混后的混合料用雙螺桿擠出機造粒，機筒溫度170～180℃，機頭溫度165℃，主機轉(zhuǎn)速約11rmb，喂料轉(zhuǎn)速約15rmb。

2.3 注塑成型

注塑成型指的是用高壓將熔融塑化的物料注入模腔中，經(jīng)保壓固化及冷卻后，得到的具有一定質(zhì)量與精細(xì)度的塑料制品。該成型方法生產(chǎn)速度快，效率高，適合形狀復(fù)雜的制品。

冼霖[13]等人在注射溫度為185℃、185℃、190℃，注射壓力為55MPa，注射時間10s的條件下注射成型啞鈴型改性刨花板木粉/聚乳酸復(fù)合材料，刨花板木粉含量為20%時，復(fù)合材料力學(xué)強度最佳。葛正浩[14]等人為探究甘油、DOP、PBS以及楊木粉含量對復(fù)合材料影響，采用單因素實驗法，將物料在高速混煉機在120℃，1500r/min參數(shù)下共混15min，后在注射機鎖模，保壓時間12s，溫度控制170℃、170℃、165℃下進行注射成型。司丹鴿[15]采用正交試驗法研究了注塑成型工藝中注射溫度、注射壓力、注射速度對秸稈粉/復(fù)合材料密度、力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，最佳注塑成型工藝條件為注射溫度為178℃，注射壓力為50bar，注射速度為45%。

2.4 3D打印成型

3D打印機以粉末狀金屬或塑料等可粘合材料為耗材，在計算機的控制下，采用逐層打印的方式形成實體模型[16]。其簡化了產(chǎn)品制造中的工藝流程，使工業(yè)生產(chǎn)制造走向精細(xì)化、速度化。

羅通通[17]等人通過3D打印成型制備了楊木粉/ PBAT/PLA復(fù)合材料，其參數(shù)設(shè)置為：打印溫度為190℃、打印速率為40mm/s、底板溫度為50℃、殼厚為0.6mm打印制得標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣件。王瑩[18]等人采用熔融擠出和3D打印的方法制備了PLA/木粉3D打印復(fù)合材料，并研究了甘油用量對復(fù)合材料性能的影響。其中3D打印成型參數(shù)設(shè)置為：打印機噴頭溫度設(shè)為230℃，層高0.2mm。畢永豹[19]等人采用正交試驗設(shè)計的方法，通過麥秸稈/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能進行測試，其中3D打印成型的填充密度為100%，層厚為0.2 mm，打印速度為20 mm/s，打印溫度為230℃。

2.5 模壓成型

模壓成型是指將一定量的初混合物料加入溢式、不溢式或半溢式對模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓、保壓固化，得到具有三維交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)的塑料制品的一種方法。模壓成型的特點有：第一，溫度是模壓成型全過程的決定性因素，影響物料的流動性、機械性能與交聯(lián)固化反應(yīng)等。第二，壓力在成型中起到加速流動、增強制品密度等作用。第三，物料的體積會因為所受壓力與溫度的影響而發(fā)生變化，此時需要保壓補塑以確保模具內(nèi)物料充滿整個模腔。

葛正浩[22]等人通過控制平板硫化機的加熱溫度、模壓壓力、保壓時間等3個工藝參數(shù)，采用正交試驗法研究了上述因素對秸稈粉/聚乳酸復(fù)合材料發(fā)泡效果與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，平板硫化機加熱溫度為178℃，模壓壓力為7MPa，保壓時間為25s時，發(fā)泡效果最佳，力學(xué)性能最優(yōu)。王春紅[23]等人探究了不同工藝參數(shù)下的模壓成型工藝對漢麻桿粉/聚乳酸復(fù)合材料力學(xué)性能影響。結(jié)果表明，最優(yōu)模壓工藝為加熱溫度160℃，加壓壓力7.5MPa，熱壓時間5min，在此條件下，復(fù)合材料拉伸強度為34.93MPa，彎曲強度為77.39MPa。王妮[24]采用正交試驗法探究了模壓成型工藝中加熱溫度、加壓壓力、熱壓時間等工藝參數(shù)對麻桿粉/聚乳酸木塑復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度及其模量的影響，結(jié)果表明，加熱溫度為160℃，加壓壓力為7.5MPa，熱壓時間為5min的條件下，復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最佳。

3 存在問題及解決方案

生物可降解材料是目前資源循環(huán)的研究熱點之一，符合十四五規(guī)劃綱要中的重點發(fā)展方向，其在經(jīng)濟性、性能以及制備成型上都受到相應(yīng)的應(yīng)用壁壘。

3.1 經(jīng)濟性

目前，許多研究者將生物質(zhì)秸稈材料與聚乳酸材料復(fù)合，試圖通過二者價格差異互補使得生物可降解材料得到更為廣泛應(yīng)用。然而，目前大部分研究中顯示，在力學(xué)性能最佳的基礎(chǔ)上可得，生物質(zhì)秸稈材料與占復(fù)合材料的總比例的10%-20%左右。此含量范圍的秸稈粉并不能在大程度上對復(fù)合材料經(jīng)濟性進行改善，因此對于加大秸稈粉含量，同時要保證復(fù)合材料性能，需要做出更進一步的研究。

3.2 性能

與純聚乳酸相比較而言，生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料在力學(xué)性能方面提升幅度不大。因為生物質(zhì)秸稈材料與聚乳酸材料在機械力下成型，兩相界面相容性差，難以實現(xiàn)性能的提升。因此，對于復(fù)合材料的改性與加工顯得尤為重要。

3.3 成型加工

根據(jù)研究，目前生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料的成型制備主要以3D打印成型、擠出成型、模壓成型為主。然而，模壓成型所成型的復(fù)合材料制品表面粗糙，且秸稈含量過多的復(fù)合材料易脆。3D打印成型為目前較為熱門的研究方向，較多研究學(xué)者主要集中在復(fù)合材料的改性與加工方向，但復(fù)合材料線材在打印成型過程中易出現(xiàn)因參數(shù)設(shè)置不妥而導(dǎo)致秸稈粉末堵塞擠出口等現(xiàn)象。成型方法及其工藝參數(shù)是材料制備過程中必不可少的重要一環(huán)，影響復(fù)合材料的附加性質(zhì)。

4 展望

大部分生物可降解材料，如聚乳酸、聚羥基烷酸酯、聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯等，價格昂貴，工業(yè)化生產(chǎn)較為困難。而我國秸稈資源十分豐富，價格低廉。秸稈與生物可降解材料進行加工成型的方法有很多。在眾多成型方法中，3D打印成型方法為復(fù)合材料成型與加工的研究熱點，而3D打印用生物質(zhì)秸稈/聚乳酸復(fù)合材料的研究應(yīng)著重提高生物質(zhì)秸稈含量、界面相容性及其力學(xué)性能。若將秸稈材料與聚乳酸等材料復(fù)合，在經(jīng)濟性、性能、成型上采取相應(yīng)措施，則對生物可降解復(fù)合材料的經(jīng)濟性與使用性的應(yīng)用問題具有重要意義。

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