P34HB复合包装材料的制备

由于石化类商品的负面影响，导致迫切需要开发 基于可生物降解和自然材料的环境友好且具有成本 竞争力的系统。可生物降解聚合物因其生物相容性 和可持续性受到了极大关注，这些聚合物与聚乙烯 （PE）和聚丙烯（PP）等热塑性塑料具有相似的力 学性能和热性能，其中聚（3-羟基丁酸酯-4-羟基丁 酸酯）（P34HB）被认为是最具有前景的环保聚合物 的代表。然而，与传统的油基聚合物相比，生物聚合 物市场仍然相对较小，因为价格昂贵，热处理窗口窄， 脆性高。

1 实验

1.1 材料

主要实验材料：80 目杨木粉，临颍县立昌木业 有限公司；P34HB，天津国韵生物材料有限公司；硅 烷偶联剂 KH550（AR），南京创世化工助剂有限公司； 无水乙醇（AR），天津市大茂试剂厂；冰醋酸（AR）， 天津化学试剂三厂；四氟乙烯膜片，天津天塑滨海氟 塑料制品有限公司。

1.2 仪器

主要仪器有风冷式粉碎机（FL-30，江阴市满达 机 械 设 备 有 限 公 司 ）； 电 热 恒 温 鼓 风 干 燥 箱 （DHG-9240A，天津科诺仪器设备有限公司）；真空 干燥箱（一恒DZF-6050，上海一恒科学仪器有限公司）； 电动搅拌器（JJ-1，金坛市中大仪器厂）；高速混合机 （BF-D10KG，东莞市奔凡通用机械有限公司）；自 动热压机（CARVER3895，美国迈可诺技术有限公 司）；平板硫化机（XLB，青岛亚东机械集团有限公 司）；扫描电子显微镜（JSM-IT300LV，日本电子公 司）；傅里叶变换红外光谱分析仪（ThermoFisher Scientific iS5，美国赛默飞世尔科技公司）；热重分析 （SDT650，美国 TA 仪器）；动态热机械分析仪 （DMA+450，德国耐驰仪器制造有限公司）；万能试 验机（Instron 3369，美国英斯特朗公司）。

1.3 方法

1.3.1 原材料的预处理

将 80 目木粉在 103 ℃条件下的鼓风干燥箱中干 燥 12 h，P34HB 在 80 ℃真空干燥箱中干燥 6 h。

1.3.2 木粉的改性

配置蒸馏水和无水乙醇体积比为 1∶9 的乙醇水 溶液于 1000 mL 的烧杯中，按照总质量为 150 g，分 别称取质量分数为 0.5%，1%，2%，4%，8%的 KH550； 将不同量的 KH550 分别加入到配置好的乙醇水溶液 中，用冰醋酸调 pH 至 4~5，搅拌均匀；将烧杯口用 保鲜膜密封，常温条件下水解 1.5 h。将木粉加入 KH550/乙醇水溶液中，电动搅拌 2 h，随后在通风橱 自然风干 12 h，待乙醇和冰醋酸挥发后，将改性木粉 在 103 ℃条件下烘干 6 h，冷却至室温后密封备用。

1.3.3 样品制备

将总质量为 150 g 的改性木粉与 P34HB 按照质 量比 1∶1 称取，放入高速混合机以 1420 r/min 的转 速共混 4 min，然后将混合物均匀铺平在 250 mm×250 mm×2 mm 的厚度规模具中，在温度为 170 ℃，压力 为 170 kN 的条件下热压 10 min。完成热压后将模具 放入 1 MPa 条件下的平板硫化机中冷压 3 min，取下 厚度规获得 KH550 改性木粉/P34HB 复合材料。

1.3.4 性能检测

1）扫描电子显微镜（SEM）。将样品断面粘在载 物台上进行喷金，通过扫描电子显微镜观察样品的断 面结构。
2）傅里叶变换红外光谱（FTIR）。裁取适量KH550 改性木粉/P34HB 复合材料于测试样品台，研 磨压片，将其放在傅里叶变换红外光谱分析仪进行检 测，分辨率为 4 cm−1，扫描 32 次。
3）热重分析（TGA）。将样品制成粉末状，取 5~10 mg 于坩埚中，放入热重分析仪中在氮气流氛围 下进行测试，在常温下以 10 ℃/min 的速率升温至 600 ℃。
4）动态热机械分析（DMA）。通过动态热机械 分析仪对试样进行测试。采用三点弯曲模式，将试样 裁成 50 mm×10 mm×2 mm 的样条，DMA 图在频率为 1 Hz，幅度为 15 μm，载荷为 5 N，从−50~150 ℃的 温度范围内以 2 ℃/ min 的加热速率记录。
5）力学性能。根据 GB/T 1040—2006 和 GB/T9341—2008分别对 KH550 改性木粉/P34HB 复合材 料的拉伸性能和弯曲性能进行测试。拉伸性能和弯曲 性能分别检测 5 个样品，然后取平均值。

2 结果

未经改性的木粉和 P34HB 粘附性相对较弱，因此两者是分离的。未经改性的木 粉制备的复合材料的断裂面具有很高的粗糙度，有明显的纤维拔出现象，许多纤维拔出的孔洞清晰可见。波长范围为 500~4000 cm−1。从图 2 可知，随着 KH550 含量的增 加，3400 cm−1 处—OH 的伸缩振动峰有所增强，大概 因为是过量偶联剂的加入可以诱发木粉内羟基数量 的增加。与未加入 KH550 的复合材料相比，质量 分数为 0.5%的 KH550（简称为 KH550（5%））的复 合材料在 770 cm−1 有新的伸缩振动峰，为 Si—O—Si 键的特征峰，这主要是由硅醇基团自聚合形成的。另 外，KH550 中 1108 cm−1 处的吸收峰出现了增强，应 该是水解硅烷产生的硅烷醇基团与木粉纤维形成共 价 Si—O—C 键，表明偶联剂通过共聚反应接枝到木 粉上，此时的改性效果达到最优。1450 cm−1 为饱和 烷烃—CH2—的伸缩振动峰，说明 KH550 反应后为复 合材料提供了大量的饱和烷烃结构。2920 cm−1 是 C—H 的伸缩振动峰，主要来源于木粉化学组成中的 饱和烷烃链。

3 结语

结果表明，木粉与 P34HB 的界面相容性增强 （SEM）；KH550 通过共聚反应成功接枝到木粉，达 到了改性木粉的效果（FTIR）；适量的 KH550 可以改 善复合材料的热稳定性（TGA）；随着温度的升高， 复合材料的储能模量 E'呈下降趋势，KH550（0.5%） 复合材料的 E'始终处于最大值；损耗因子 tan δ 无明 显变化规律（DMA）；随着 KH550 质量分数的增加， 复合材料的力学性能呈先上升后下降的趋势。在 KH550 质量分数为 2%时，复合材料的拉伸强度和断 裂伸长率达到最大值；弹性模量和弯曲强度在 KH550 的质量分数为 1%时达到最大值。



 

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