全 文 ：* 收稿日期:2014 － 07 － 16
基金项目:国家自然科学基金-广东省人民政府联合基金(U1201242);国家十二五科技支撑计划(2011BAE15B02);国家“973”计划
(2012CB025902)。
作者简介:魏小淞(1988 －)，男，在读硕士研究生。
通信联系人:瞿金平(1957 －)，男，教授，博士生导师，中国工程院院士，主要从事塑料成型加工技术与装备及其理论的研究。E-mail:jpqu@ scut． edu． cn。
PBS /蒲草纤维复合材料的制备与性能*
魏小淞，卢 翔，陈荣源，杨 力，瞿金平
(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心，聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东，广州 510640)
摘要:用蒸汽爆破后的蒲草纤维与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)制备复合材料，研究蒲草纤维的质量分数对复合材料力
学性能、热学性能以及流变性能的影响。研究结果表明:随着蒲草纤维组分的增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量有
明显提高，而冲击强度呈现先增大后减小的趋势，当蒲草纤维质量分数为 5%时，冲击强度达到最大值 5． 49 kJ /m2。热重
分析结果表明蒲草纤维与 PBS基体间存在互补作用使复合材料在高温条件下的热稳定性提高。DSC结果表明:随着蒲
草纤维质量分数的增加，复合材料的结晶度和熔融温度都呈现增大趋势。平板流变结果表明:蒲草纤维降低了 PBS分子
的运动能力，增加了复合材料的黏度。
关键词:聚丁二酸丁二醇酯;蒲草纤维;复合材料;力学性能;热学性能
中图分类号:TQ323. 4 文献标志码:A 文章编号:1001 － 9456(2015)02 － 0036 － 04
Preparation and Properties of PBS /Typha Fiber Composite
WEI Xiao-song，LU Xiang，CHEN Ｒong-yuan，YANG Li，QU Jin-ping
(National Engineering Ｒesearch Center of Novel Equipment for Polymer Processing，The Key Laboratory of Polymer
Processing of Ministry of Education，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China)
Abstract:Polybutylene succinate (PBS)/ typha fiber composite were prepared． The effects of typha fiber weight fraction
on the mechanical，thermal and rheological properties of PBS / typha fiber composite were investigated． The results showed that
as the typha fiber content increasing，the flexural strength and flexural modulus increased significantly，while the impact
strength of the composite presented a trend of first increased and then dropped． When the content of typha fiber was 5%，the
impact strength was the maximum 5． 49 kJ /m2 ． TGA results indicated that there was a complementary effect between PBS and
typha fiber，the thermal stability of the PBS in the high temperature region was improved． DSC results showed that the degree of
crystallinities and the melting temperature increased with the increase of Typha fiber content． Ｒheological analyses demonstra-
ted that the addition of typha fiber limited the movement of molecular chain，and the complex viscosity of the composite in-
creased．
Keywords:PBS;typha fiber;composite;mechanical property;thermal property
随着全球变暖及废弃物处理等环境问题日益严重，开发环
保节能型材料已成为 1 项刻不容缓的任务。植物纤维增强热塑
性复合材料由于其具有的环保性能和成本优势，已得到市场的
认可和商业化应用［1］。天然植物纤维已经广泛地应用于各种
聚合物的填充改性方面。例如:植物纤维 /生物降解树脂复合材
料［2-5］、植物纤维 /天然高分子复合材料［6-8］、植物纤维 /纤维素
衍生物复合材料［9］、全植物纤维复合材料［10］。
聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是 1 种完全生物可降解塑料，由
于 PBS相对于 PHA、PCL等降解塑料具有价格低廉及力学性能
优异等特点，因此在国内外被推广应用。目前，有研究通过制备
PBS /无机纳米复合材料，从而进一步改善 PBS 的综合性能［11］。
而与价格接近的 PLA相比，PBS的加工工艺性及耐热性能更加
优良;而且，其与通用聚乙烯材料具有相近的力学和物理性能，
可制备多种完全生物可降解的高分子产品［12］。
蒲草在我国南北广泛分布，是重要的经济植物和珍贵的药
材。目前，蒲草更多地被用作编织原料，编织蒲席、蒲包、蒲垫等
工艺品和日用品。文章采用蒸汽爆破的方法对蒲草进行处理，
得到纤维状的蒲草，以制备全生物降解的 PBS /蒲草纤维复合材
料。
然而，目前有关 PBS /蒲草纤维复合材料的研究较少。文中
将 PBS与蒲草纤维按一定质量比在密炼机中进行共混，制得可
生物降解的 PBS /蒲草纤维复合材料，研究了蒲草纤维质量分数
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对 PBS /蒲草纤维复合材料的力学性能(特别是弯曲性能和冲击
性能)、流变学性能以及热学性能的影响规律。
1 实验部分
1． 1 实验材料
蒲草试样:用铡刀裁短，备用，市售;
PBS:1020MD，日本昭和高分子株式会社。
1． 2 仪器及设备
密炼机:Brabender 塑料工作站，德国 Brabender 公司;
平板硫化机:QLB － 250D /Q，无锡市第一橡胶机械设备厂;
摆锤冲实试验机:POE2000，美国 Instron公司;
台式电子万能试验机:5566，美国 Instron公司;
差示扫描量热分析仪:DSC204C，德国 Netzch公司;
热重分析仪:TG209，德国 Netzch公司;
流变分析仪:MCＲ302，奥地利 Anton Paar公司。
1． 3 试样制备
将裁短蒲草浸泡后在连续式蒸汽爆破机上进行爆破处理。
分别将 PBS 和蒸汽爆破后的蒲草纤维置于鼓风干燥箱中在
80 ℃下干燥 4 h。将干燥后的 PBS和蒲草纤维按照不同的质量
比置于密炼机中，在加工温度 120 ℃、转子转速 60 r /min、密炼
时间 6 min的条件下进行共混，制备得到蒲草纤维质量分数分
别为 5%、10%、20%、30%、50%的 PBS /蒲草纤维复合材料。然
后将上述复合材料置于平板硫化机中，在 150 ℃、80 MPa 下热
压 6 min，分别制得厚度为 1 mm和 4 mm的板材，以备分析测试
用。
1． 4 性能测试及表征
弯曲性能测试:按照 GB/T1446 － 2006 进行，加载速度
2 mm/min。
冲击性能测试:按照 GB/T 1843 － 1996 进行，试样采用有缺
口试样。
DSC测试:取样品 3 ～ 5 mg，在氮气保护下，以 10 ℃ /min 的
速度升温至 140 ℃并保温 3 min以消除热历史，然后以 10 ℃ /min
的速度降至室温后，再以10 ℃ /min的速度升温至140 ℃，记录熔
融吸热曲线。
热重分析:取样品 8 ～ 10 mg，在氮气保护下，以 10 ℃ /min
的升温速度由室温升至 600 ℃，记录失重曲线。
流变分析:将试样置于旋转流变仪中，由低频到高频进行振
幅扫描，记录样品的复数黏度、损耗模量、储能模量等参数;测试
温度 140 ℃，频率扫描范围 0． 01 ～ 100 rad /s，应变幅度 1%。
2 结果与讨论
2． 1 力学性能
图 1 为不同蒲草纤维质量分数下 PBS /蒲草纤维复合材料
的弯曲性能曲线。由图 1 可见，与纯 PBS相比，复合材料的弯曲
强度随蒲草纤维质量分数的增加而逐渐增加，当蒲草纤维质量
分数为 50%时，达到 49． 16 MPa，是纯 PBS 弯曲强度的 2． 4 倍。
此外，与纯 PBS相比，复合材料的弯曲模量随蒲草纤维质量分
数的增加也显著提高，由纯 PBS 的 475． 32 MPa，提高到蒲草纤
维质量分数为 50%时的 2481． 65 MPa，提高了 5 倍以上。这是
因为，复合体系中植物纤维的结构仍保持纤维束状，有一定的长
径比和比较高的比强度，当植物纤维质量分数达到一定程度时，
纤维素能对复合材料的弯曲性能起增强作用［13］。
图 1 蒲草纤维质量分数对 PBS /蒲草纤维
复合材料弯曲性能的影响
从图 2 可以看出，蒲草纤维的加入对复合材料的冲击性能
有较大的影响。当蒲草纤维质量分数小于 5%时，随着蒲草纤
维质量分数的增加，材料的冲击强度逐渐上升。当蒲草纤维质
量分数为 5%时，复合材料的冲击强度达到最大值 5． 49 kJ /m2。
然而，当蒲草纤维质量分数大于 5%时，复合材料的冲击强度逐
渐降低。这主要是因为当蒲草纤维质量分数较低时，蒲草纤维
可以较好地在 PBS基体中分散，蒲草纤维能够被 PBS基体较好
地包覆，蒲草纤维与 PBS 基体的界面作用力强，蒲草纤维能够
有效地传递和消耗冲击能，从而使复合材料的冲击强度较纯
PBS有所增加，在 5%质量分数时，复合材料的冲击性能最好，
冲击强度达到最大;当蒲草纤维质量分数大于 5%时，纤维之间
存在的氢键使其趋于聚集并发生团聚，降低了纤维在聚合物中
的分散性，同时，亲水性植物纤维的吸湿会键入植物纤维和聚合
物之间的物理键合作用［14］。蒲草纤维质量分数增加，也会导致
纤维与 PBS之间产生更多的界面缺陷。因此，当蒲草纤维质量
分数较高时，蒲草纤维在 PBS基体不能有效地传递和吸收冲击
能，从而引起冲击性能下降。
图 2 蒲草纤维质量分数对 PBS /蒲草纤维
复合材料冲击性能的影响
2． 2 热学性能
图 3 为 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的热重(TG)
曲线和微分热重(DTG)曲线。由图 3 可见，纯 PBS 的热解温度
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约为 350 ℃，最快降解速率出现在 400 ℃左右。而 PBS /蒲草纤
维复合材料的热稳定性略低于纯 PBS 的热稳定性，且其热稳定
性随蒲草纤维质量分数的增加而逐渐降低。与纯 PBS 相比，复
合材料的起始降解温度有所降低，并随蒲草纤维质量分数的增
加而降低;同时，复合材料的降解残留量有所提高，并随蒲草纤
维质量分数增加而增加。另外，当蒲草纤维质量分数达到 40%
后，复合材料呈现出两个降解阶段:第一个降解阶段为 300 ～
350 ℃，主要是蒲草纤维中木质素和纤维素的分解;第二阶段为
350 ℃以上，主要是 PBS的分解。
(a)TG曲线;(b)DTG曲线。1 － 100:0;2 － 95:5;3 － 90:10;4 － 80:20;5 － 70:30;6 － 50:50。
图 3 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的 TG和 DTG曲线
Lee S M 等［15］认为，当温度在 350 ℃以下时，对于 PBS /植
物纤维复合材料的热稳定性能而言，PBS起主要作用;然而当温
度高于 350 ℃时，植物纤维起到主要作用。因此，在较低的温度
条件下，PBS能弥补蒲草纤维热稳定性的缺陷，而在较高温度条
件下，蒲草纤维能够弥补 PBS 热稳定性的缺陷，从而使复合材
料在高温条件下的热稳定性提高。
图 4 为 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的 DSC 熔融
曲线，表 1 为 DSC熔融过程数据。由图 4 及表 1 可见，PBS表现
为 2 个熔融峰(θm1、θm2)，θm1为 103． 2 ℃，θm2为 114． 2 ℃。其中，
θm1主要为原始晶体的熔融，θm2为升温过程中 PBS 重结晶晶体
的熔融［16］。蒲草纤维的加入使 PBS 熔融峰值温度 θm2略微提
高，这主要是因为蒲草的加入对 PBS 基体起到了异相成核的作
用，从而促进 PBS结晶更完善，使其晶体熔融所需的温度提高。
1 － 100:0;2 － 95:5;3 － 90:10;4 － 80:20;5 － 70:30;6 － 50:50。
图 4 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的 DSC熔融曲线
图 5 为 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的 DSC 结晶
曲线。如表 1 中纯 PBS的结晶温度 θc 为 83． 2℃，随着蒲草纤维
增加，复合材料的 θc 逐渐上升。当蒲草纤维质量分数为 20%
时，θc 为 86． 7 ℃，与纯 PBS相比，提升了 3． 5 ℃，说明由于蒲草
纤维的加入，提高了 PBS 的结晶能力，这主要是因为蒲草纤维
在 PBS基体中起到了异相成核的作用。结果跟图 4 中 PBS /蒲
草纤维复合材料的熔融结果相照应。此外，从表 1 中还可以看
到，随着 PBS基体中纤维质量分数的增加，复合材料的熔融热
焓是逐渐降低的，而结晶热焓也是呈降低趋势，这主要是因为基
体 PBS组分质量分数逐渐降低，其结晶部分也相应减少，所以
结晶时放热焓和结晶熔融焓都呈降低趋势。
1 － 100:0;2 － 95:5;3 － 90:10;4 － 80:20;5 － 70:30;6 － 50:50。
图 5 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的 DSC结晶曲线
表 1 PBS及 PBS /蒲草纤维复合材料的 DSC参数
参数
试样
θm1 /℃ θm2 /℃
熔融热焓 /
(J /g)
θc /℃
结晶热焓 /
(J /g)
纯 PBS 103． 2 114． 2 57． 28 83． 2 68． 25
PBS /蒲草纤维(95 /5) 105． 1 115． 3 54． 78 84 66． 83
PBS /蒲草纤维(90 /10)107． 9 115． 8 48． 06 86． 2 57． 01
PBS /蒲草纤维(80 /20)106． 8 115． 3 45． 16 86． 7 60． 17
PBS /蒲草纤维(70 /30)105． 1 115． 5 38． 91 86． 5 44． 12
PBS /蒲草纤维(50 /50)105． 8 115． 7 33． 32 86． 2 36． 15
2． 3 流变性能
PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的复数黏度与角频
率的关系如图 6 所示。从图 6 中可以看出，随着蒲草纤维质量
分数的增加，复合材料的复数黏度逐渐增加。当蒲草相位质量
分数较高时，复合材料在低频区的复数黏度增加非常明显。这
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是由于，高组分的蒲草纤维阻碍了 PBS 分子链的运动，降低了
分子链的运动能力，从而使材料的黏度升高。且随蒲草纤维质
量分数增加，黏度增加的程度更明显。当蒲草纤维质量分数为
5%、10%时，复合材料在低频区呈现牛顿流体特性，而在高频区
呈现为非牛顿流体特性，发生剪切变稀现象，而且发生这种转变
所对应的角频率随蒲草纤维质量分数的增大而减小。
1 － 95:5;2 － 90:10;3 － 80:20;4 － 70:30;5 － 50:50。
图 6 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的
复数黏度与角频率的关系
1 － 95:5;2 － 90:10;3 － 80:20;4 － 70:30;5 － 50:50。
图 7 PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料的
储能模量与角频率的关系
PBS /蒲草纤维不同质量比时复合材料储能模量与角频率
的关系如图 7 所示。从图 7 可以看出，在低频区时，复合材料的
储能模量随蒲草纤维质量分数的增加而显著增大。这是因为蒲
草纤维在剪切流动的过程中，由于发生剪切变形而吸收一定的
弹性能。在低频区，变形的蒲草纤维因松弛而将吸收的弹性能
传递给周围的 PBS 基体，且随蒲草纤维质量分数增加，所吸收
的弹性能也随之增加，从而导致复合材料的储能模量增大。
3 结论
1)与纯 PBS相比，PBS /蒲草纤维复合材料的弯曲强度和弯
曲模量随着蒲草纤维质量分数的增加而大幅提高。而当蒲草纤
维质量分数为 5%时，PBS /蒲草纤维复合材料的冲击强度达到
最佳值 5． 49 kJ /m2。
2)在热降解性能方面，蒲草纤维的加入使 PBS 热降解性能
发生变化。由于蒲草纤维与 PBS 基体间存在互补作用使复合
材料在高温条件下的热稳定性提高。
3)蒲草纤维加入到 PBS中，复合材料的结晶度和熔融温度
都呈增大趋势，蒲草纤维在 PBS 基体中起到了异相成核作用，
提高了 PBS结晶能力，促进了 PBS结晶更完善。
4)蒲草纤维的加入降低了 PBS分子的运动能力，明显地增
加了复合材料的黏度。且随纤维质量分数增大，复合材料在低
频区的复数黏度和储能模量明显变大。
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(本文编辑 YSH)
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