胡建鵬，邢東，張燕
內蒙古農業(yè)大學，材料科學與藝術設計學院，內蒙古，呼和浩特 010000
摘要：聚乳酸由于具有優(yōu)異的可生物降解性和生物相容性，被稱為最具應用前景的綠色高分子塑料。采用價廉質輕、比強度和比剛度高、可生物降解的麻類纖維增強聚乳酸，制備可完全生物降解的綠色復合材料，不僅能夠變廢為寶，彌補聚乳酸性能的缺陷，還可降低生產(chǎn)成本、減輕環(huán)境污染，在綠色環(huán)保材料領域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。從麻纖維類別角度出發(fā)，在總結劍麻、亞麻、苧麻、漢麻、黃麻、洋麻纖維特性的基礎上，系統(tǒng)歸納了不同種類麻纖維增強聚乳酸可生物降解復合材料在材料成型、界面改性、阻燃、生物降解等領域的研究現(xiàn)狀，展望了麻纖維增強聚乳酸可生物降解復合材料的研究趨勢。
關鍵詞：麻纖維; 纖維增強; 聚乳酸; 復合材料; 可生物降解
引言
近年來，以聚乳酸( PLA) 為代表的可生物降解塑料，由于具有優(yōu)異的可生物降解性和生物相容性而受到研究者的廣泛關注［1］。為了降低聚乳酸的使用成本、提升聚乳酸材料的綜合性能、保證體系的可完全生物降解性，將可再生、可完全生物降解的天然植物纖維作為增強體與聚乳酸復合，制造出高性價比、完全環(huán)境友好的天然植物纖維/PLA復合材料，已成為研究者關注的重點領域[2 - 3]。在天然植物纖維中，麻類纖維具有較高的力學強度、耐摩擦、耐腐蝕及綠色可再生等特點，已被廣泛應用到聚合物增強材料中［4］。采用價廉質輕、比強度和比剛度高、可生物降解的麻纖維增強聚乳酸，制備可完全生物降解的綠色復合材料，不僅能夠變廢為寶，還可降低成本，減輕環(huán)境污染，在綠色環(huán)保領域具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
按照從植物本體抽取部位的不同，可以將麻纖維分為葉纖維和韌皮纖維。葉纖維主要有劍麻(Sisal) ; 韌皮纖維主要有亞麻(Flax) 、苧 麻 (Ramie) 、漢 麻 (Hemp) 、黃 麻(Jute) 、洋 麻(Kenaf) 。從化學成分組成上來看，各類麻纖維具有的化學成分相同，主要由纖維素(60 ~78% ) 、半纖維素(0. 6 ~ 22% ) 、木質素(10 ~ 22. 4% ) 以及果膠(0. 2~10% ) 等少量組分組成［4］。
目前，國內外尚未見系統(tǒng)論述麻類纖維增強聚乳酸制備可生物降解復合材料的綜述性報道。文章從麻纖維的類別角度出發(fā)，在概括各類麻纖維的特性基礎上，歸納總結了麻纖維增強聚乳酸復合材料研究現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有研究存在的問題，展望未來該領域的發(fā)展趨勢，旨在為麻類纖維增強聚乳酸復合材料的研究提供依據(jù)。
01 劍麻纖維增強聚乳酸復合材料
劍麻纖維(SF)來源于劍麻的葉纖維，其纖維長度較長、拉伸強度與韌性較高、耐摩擦、耐腐蝕。目前，對劍麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究，主要集中在纖維表面改性、成型工藝、材料阻燃與降解特性等方面。
1. 1 纖維表面改性與成型工藝的研究
劉卓［5］對劍麻纖維進行了NaOH表面改性，采用注塑成型工藝制備了劍麻纖維/聚乳酸復合材料。結果表明，堿處理的方式能夠提高材料的力學性能、降低吸水率，延緩降解速率。當堿處理劍麻纖維用量為20%時，材料的力學性能達到最佳。吳文迪等［6］分別采用蒸餾水、NaOH溶液、馬來酸酐(MAH)接枝和月桂酸(GML)接枝的處理方式表面改性劍麻纖維，采用層壓法制備了劍麻纖維/聚乳酸復合材料。結果表明，采用纖維表面改性的處理方式能夠改善材料的界面相容性，顯著提升復合材料的沖擊強度和拉伸強度。段俊鵬等［7］先采用PLA 溶液浸漬法制備了劍麻纖維預浸漬料，再將其與PLA膜通過熱壓成型工藝，制備了取向長劍麻纖維增強聚乳酸層壓復合材料。結果表明，當劍麻纖維用量為40%時，材料的力學性能達到最佳，拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度比純聚乳酸分別提高了1. 90、1. 29、15. 69 倍。
1. 2 材料阻燃與降解特性的研究
姜愛菊等［8］對劍麻纖維進行了NaOH表面改性，采用熱壓法制備了劍麻纖維/聚乳酸復合材料。結果表明，隨著劍麻纖維含量的增加，材料的酶水解速率提高。龐錦英等［9］采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對劍麻纖維進行表面改性，采用模壓法制備了阻燃型復合材料。研究表明，劍麻纖維對聚乳酸的降解具有促進作用，隨著土埋降解時間的延長，復合材料的表面形貌發(fā)生了明顯變化，力學性能隨之下降，材料的氧指數(shù)(LOI)從對照組的31. 8%提高到33. 7% ，垂直燃燒達到FV-0級(UL94) ，屬難燃級別材料。
02 亞麻纖維增強聚乳酸復合材料
亞麻纖維(FF) 主要來源于亞麻的韌皮纖維，其纖維順直、比強度與比剛度較高，具有耐摩擦、耐酸堿、耐高溫等特性。目前，對亞麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究，主要集中在界面改性、成型工藝、材料結晶性能與熱性能等方面。
2013年東華大學張慧慧課題組在國內率先開展了亞麻纖維/立構聚乳酸(Flax /sc-PLA)復合材料的研究。課題組的明瑞豪等［10］先采用熔融共混工藝制備了立構聚乳酸(sc-PLA) ，隨后，采用注塑成型方式制備了亞麻纖維/sc-PLA復合材料。結果表明，sc-PLA和復合材料的立構晶體、均聚物晶體共存，當加入亞麻纖維后，復合材料的sc晶體生成率由66. 4%提 升到92. 7% 。當亞麻含量為10%時，材料的力學性能得到明顯改善，維卡軟化溫度達到 155. 6℃，比對照組約提高了92℃。課題組的李玉增等［11］采用注塑成型工藝制備了亞麻/sc-PLA合材料，重點研究了偶聯(lián)劑六亞甲基二異氰酸(HMDI)對材料結構與性能的影響。結果表明，加入1%的HMDI偶聯(lián)劑可明顯提高復合材料的拉伸強度、初始降解溫度和動態(tài)儲能模量。張文娜等［12］從紡織成型的角度，以亞麻纖維為增強體，與聚乳酸纖維通過開松、混合、梳理工序制成預成型件，采用模壓成型工藝制備了亞麻纖維/聚乳酸復合材料。結果表明，當鋪層角度為90°時，材料的橫向拉伸強度與彎曲強度達到最大值，分別為17. 8MPa和21. 0MPa;相應的拉伸模量與彎曲模量分別為1. 54GPa和1. 78GPa;當鋪層角度為0°時，材料的縱向拉伸、彎曲強度和模量達到最高。
03 苧麻纖維增強聚乳酸復合材料
苧麻纖維(RF)來源于苧麻的韌皮部纖維。苧麻的纖維素含量較高、力學性能極好，是天然纖維中性能最優(yōu)異的纖維，其強度接近玻璃纖維。目前，對苧麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究，主要集中在界面改性、界面效果評價、成型工藝、材料降解性能與阻燃性能等方面。
3. 1 材料成型與界面改性的研究
周楠婷［13］首先采用苧麻與聚乳酸制備包覆紗預制件，然后，采用層壓工藝制備了三維正交機織復合材料。結果表明，在實驗范圍內，復合材料經(jīng)緯方向的最大拉伸強度分別為43. 3MPa和91. 9MPa; 緯向的沖擊載荷達到最大值，為134. 3N，沖擊能量為0. 59 J。另外，復合材料能夠有效吸收1000~2500Hz的聲波，隨著后腔深度的逐漸增加，吸波峰頻率逐漸降低。竺露萍［14］利用水和堿液對苧麻纖維進行表面處理，采用模壓方式制備了苧麻/聚乳酸復合材料。結果表明，改性苧麻單纖維拉伸強度顯著增強。界面剪滯模型的評估結果表明，水和5%堿液處理后的材料，界面剪切力均顯著增強，分別提升了39%和50% 。水老化試驗結果表明，水處理后的材料界面粘結性能強于堿處理后的界面粘結性能。
3. 2 材料水解與阻燃性能的研究
溫變英等［15］采用熔融共混工藝制備了苧麻纖維/聚乳酸復合材料。研究表明，復合材料在堿性(pH=12. 0) 環(huán)境中的降解速率比酸性和中性環(huán)境中更快。在不同pH環(huán)境下，隨著降解時間延長，復合材料的結晶度和維卡軟化溫度均逐漸降低。彭程蔚等［16］采用針刺工藝制備了聚乳酸/苧麻非織造纖維氈，然后，采用層積熱壓工藝制備了苧麻/聚乳酸非織造纖維板，重點研究了阻燃劑9，10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(DOPO) 對材料阻燃性能的影響。結果表明，復合材料的最大彎曲強度為24. 83MPa、彎曲模量為985. 87MPa、沖擊強度為21. 71kJ/m2 ; 復合材料的阻燃性能顯著提高，但是，當阻燃劑過量時，材料力學性能有所下降。
04 漢麻纖維增強聚乳酸復合材料
漢麻纖維(HF)俗稱大麻，其纖維不僅具有良好的力學性能，還具有吸濕、防霉抑菌、防紫外線、吸音等特性。目前，對漢麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究，主要集中在創(chuàng)新成型工藝、界面改性、材料降解性能、流變性能以及新型發(fā)泡材料等方面。
4. 1 材料成型工藝的研究
梁曉斌［17］分別采用密煉－熱壓工藝和雙向層壓工藝制備了聚乳酸/漢麻復合材料，優(yōu)化獲得了復合材料最佳密煉工藝、最佳熱壓成型工藝和雙向層壓法最佳成型工藝。此外，降解實驗表明，復合材料在自然降解過程中，能夠較長時間保持力學性質，在土埋過程中，材料降解速率最高。
4. 2 界面改性的研究
潘麗愛等［18］采用共混熱壓工藝制備了漢麻纖維/聚乳酸復合材料，重點研究了NaOH和硅烷偶聯(lián)劑(KH550) 對漢麻進行表面改性處理前后，復合材料的力學性能與熱性能的變化。結果表明，表面改性處理不僅能夠提高復合材料的彎曲性能與韌性，還能夠提高聚乳酸的結晶度和初始熱分解溫度。
4. 3 流變性能的研究
王玉等［19］采用共混方式制備了漢麻纖維/聚乳酸復合材料，采用轉矩流變測試平臺，重點研究了不同長度、不同含量的漢麻纖維對復合材料流變性能的影響。結果表明，當漢麻纖維長度一定時，平衡扭矩、扭矩平衡時間隨著纖維含量的增加而增大; 當纖維含量一定時，最大扭矩、平衡扭矩、扭矩平衡時間隨著纖維長度的增加而增大。當漢麻纖維為4mm時，平衡扭矩增加幅度較大，HF的加入在不同程度上增加了PLA熔體的表觀黏度。
4. 4 發(fā)泡材料與性能的研究
陳美玉等［20］采用模壓法制備了漢麻/聚乳酸復合發(fā)泡材料，重點研究了漢麻纖維形態(tài)與添加量對發(fā)泡材料力學性能的影響。結果表明，發(fā)泡材料的彈性模量、屈服應力以及拉伸斷裂強度，均與漢麻纖維長度與添加量呈正相關，并且，隨著纖維長度和纖維添加量的增加，發(fā)泡材料的彈性模量均呈上升趨勢，但是，斷裂伸長率均變化較小。
05 黃麻纖維增強聚乳酸復合材料
黃麻纖維(JF) 是一種長而柔軟的、有光澤的植物纖維，具有較高的比強度與比模量，吸濕性良好，染色性較差。目前，對黃麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究，主要集中在成型方式、界面改性、材料降解性能以及阻燃性能等方面。
5. 1 材料成型工藝的研究
袁利華等［21］采用層壓工藝制備了黃麻纖維/聚乳酸復合材料。研究結果表明，當采用PLA/黃麻/PLA鋪層設計，聚乳酸和黃麻纖維質量比為6: 4、黃麻纖維鋪向角45°時，材料的力學性能最優(yōu)，其拉伸強度達到74. 36MPa、彎曲強度為133. 41MPa、沖擊能量達到92. 90 kJ/m2。
5. 2 界面改性的研究
徐曉倩等［22］采用注塑成型工藝制備了黃麻/PLA復合材料。研究結果表明，黃麻纖維經(jīng)過NaOH堿液/硅烷偶聯(lián)劑KH-550聯(lián)合改性處理后，獲得了比堿液處理更加粗糙的纖維表面，更有效的改善了黃麻纖維與樹脂間的界面粘結性。與對照組相比，堿液/偶聯(lián)劑聯(lián)合處理方式制造的復合材料拉伸強度提高了38% 、彎曲強度提高了 35. 5% 。孟秋杰等［23］利用漆酶催化氧化酚羥基產(chǎn)生自由基能夠進行耦合交聯(lián)的特性，通過單體沒食子酸月桂酯(DG)接枝改性黃麻纖維，然后，采用熔融擠出注塑成型工藝制備了黃麻纖維/PLA復合材料。結果表明，DG接枝改性后的黃麻纖維表面疏水性得到了提高，纖維與基體間的界面相容性得到了改善，復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別達到44. 1MPa和80. 7MPa，比對照組分別提高了47. 5%和35. 9% 。
5. 3 材料降解性能的研究
韓建等［24］在層壓優(yōu)化工藝基礎上，重點研究了黃麻/聚乳酸復合材料在弱堿性、弱酸性和中性磷酸鹽緩沖溶液中的降解性能。結果表明，在不同pH值的環(huán)境中，復合材料的降解速率也不同，經(jīng)80d降解，復合材料在堿性、酸性和中性環(huán)境中，拉伸強度分別下降了80% 、75%和60% 。
張瑜等［25］采用多層熱壓成型工藝制備了PLA/黃麻復合材料，重點對比研究了土壤降解和磷酸鹽緩沖溶液降解方式對復合材料結構與性能的影響。結果表明，在土壤中降解60d和在磷酸鹽緩沖溶液中降解5d，復合材料的結構和強度均保持相對穩(wěn)定，在土壤中降解240d和在緩沖溶液中降解25d，結構形態(tài)破壞嚴重，拉伸強度大幅度降低。
5. 4 材料阻燃性能的研究
于濤等［26］通過添加阻燃劑聚磷酸銨，采用熔融擠出工藝制備了阻燃型黃麻短纖維/聚乳酸復合材料，重點研究了復合材料的力學性能、耐熱性能及阻燃性能。結果表明，黃麻纖維能夠使復合材料的力學性能和耐熱性能明顯提高，維卡軟化點從60. 4℃升高到123.5℃，極限氧指數(shù)( LOI)達到了35. 6，UL94 阻燃等級測試達到V-0級。由于阻燃劑會降低偶聯(lián)劑的作用，因此，材料的力學性能及熱變形溫度會在一定程度上有所降低。
06 洋麻纖維增強聚乳酸復合材料
洋麻纖維(KF)又稱紅麻，其纖維與黃麻纖維類似，具有纖維柔軟、韌度大、富彈性等特點。目前，對紅麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究，主要集中在界面改性、成型工藝、復合材料的吸聲性能、降解性能、動態(tài)熱性能及阻燃性能等方面。
6. 1 材料成型與阻燃性能研究
目前，國內在紅麻/聚乳酸復合材料領域的研究成果較少，主要集中在阻燃型復合材料的研究。周露等［27］以PX-220為阻燃劑，采用注塑成型工藝制備了阻燃型洋麻/聚乳酸復合材料，重點研究了紅麻的表面處理方式、阻燃劑用量對材料力學性能及阻燃性能的影響。結果表明，經(jīng)表面改性處理的紅麻纖維能夠提升材料的力學性能。當紅麻纖維用量10% 、阻燃劑用量為20%時，復合材料兼具良好的力學性能、耐熱性能和阻燃性能。
6. 2 力學、降解及吸聲性能的研究
Ben等［28］采用耐熱拉伸試驗測試了洋麻/聚乳酸的動態(tài)熱力學性能。結果表明，復合材料的拉伸強度和拉伸模量均高于純聚乳酸。Hidayat等［29］采用海藻酸鈣固定化平菇菌絲對洋麻/聚乳酸復合材料進行了降解實驗。結果表明，經(jīng)過6個月的降解，材料的質量損失率達到48% ，其力學強度下降的同時顏色也會發(fā)生改變，在降解過程中，固定化平菇菌不僅能降解紅麻纖維，還能夠氧化分解聚乳酸。Chin等［30］分別采用熔融擠出和熱壓成型工藝制備了具有微穿孔結構的洋麻/聚乳酸復合材料。結果表明，洋麻纖維含量對材料的吸聲系數(shù)具有重要影響，紅麻纖維含量的增加能夠增加材料的孔隙率，但是，在一定程度上也會降低材料的拉伸強度。隨著板面氣隙厚度的增加，吸收峰值向低頻區(qū)域移動。
07 結語
在積極探索研發(fā)綠色環(huán)保材料的今天，麻纖維增強聚乳酸可生物降解綠色復合材料具有廣闊的應用前景。綜述麻纖維增強聚乳酸復合材料的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前，對于該領域的研 究已取得長足進步，具體研究成果主要集中在以下三方面: (1)采用物理、化學或聯(lián)合處理的方式對復合材料的界面進行改性與效果評價，提高復合材料的界面相容性; (2)采用傳統(tǒng)或新型的材料成型工藝制備復合材料，獲得優(yōu)化成型工藝; (3)研發(fā)以阻燃型材料為代表的功能型復合材料，采用先進技術手段表征復合材料的結晶性能、動態(tài)力學、熱性能、吸聲性能、阻燃性能以及降解性能等。
建議今后在以下幾方面繼續(xù)展開深入研究: (1) 結合各類麻纖維的特性，尋求具有針對性的表面改性處理方法，著力提升復合材料的界面相容性及力學性能; (2) 充分發(fā)揮各類麻纖維的特性，借鑒紡織、冶金等領域的產(chǎn)品制造工藝，創(chuàng)新復合材料成型方式，打破傳統(tǒng)的制造模式，積極研發(fā)可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的復合材料成型工藝; (3) 完善麻纖維增強聚乳酸復合材料的成型機理，解析麻纖維增強機制，為此類材料的研發(fā)奠定理論基礎; (4) 在充分發(fā)揮麻纖維與聚乳酸纖維特性的基礎上，創(chuàng)新研發(fā)耐光熱老化、降解可控、隔音吸聲等功能型復合材料，拓寬此類材料的應用領域。
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