全 文 ：收稿日期：72 2012-06-11
热处理剑麻/PLA复合材料的制备与力学性能研究
Research on Mechanical Properties of Heat-treated Sisal
Fiber/PLA Composites and Its Preparation
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50903033、50973035)；国家科技支撑计划项目课题(2009BAI84B05、2009BAI84B06)；
教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-11-0152)；广州市珠江科技新星专项(2011J2200058) (1) 通讯联系人
Vol.40 No.8 (Sum.244)
August 2012
李向丽，董晓龙，冯彦洪(1)，瞿金平，何和智 Li Xiangli, Dong Xiaolong, Feng Yanhong(1), Qu Jinping, He Hezhi
- 华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室 聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广州 510640
- National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of the
Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China
摘 要 : 采用真空干燥箱对剑麻纤维进行预处理，并与聚乳酸(PLA)复合制备了剑麻纤维含量为50%的全降解环保型
复合材料。研究了真空条件下剑麻纤维热处理温度、热处理时间对剑麻纤维成分、结构和复合材料性能的影
响，并通过红外光谱和扫描电镜分析其作用机理。结果表明：在真空条件下，热处理使剑麻结构发生变化，半
纤维素降解，改善了界面结合能力，且适宜的热处理温度、热处理时间有利于复合材料力学性能的提高。
Abstract : The sisal fiber was pretreated in the vacuum oven, and then a kind of environmentally friendly
composites was prepared with polylactic acid and pretreated sisal fiber, especially, the content of
plant fiber was 50%. The effects of the heat treatment temperature and time on the composition
and structure of sisal fiber and mechanical properties of composites in the vacuum condition were
investigated, and the mechanism was studied by infrared spectroscopy and scanning electron
microscopy. The results indicated that: after heat treatment in the vacuum, the hemicelluloses
degrade and the interface bonding improves, and also appropriate heat treatment temperature and
time is favorable to improve the mechanical properties of composites.
关键词 : 热处理；聚乳酸；剑麻纤维；力学性能
Key words : Heat-treated; PLA; Sisal fiber; Mechanical property
文章编号：1005-3360（2012）08-0072-04
近年来，随着石油、煤炭储量的下降，特别是各
国对环境的日益关注和重视，可降解材料的研究及
应用愈来愈受到重视。利用天然植物纤维资源与
可降解聚合物制备复合材料成为国内外科学家竞
相开展的研究课题[1]。植物纤维和其他合成纤维
相比，具有来源广泛、价格低廉、密度较低和可降解
回收的特点。同时，植物纤维还具有相对较高的强
度和模量[2]。植物纤维表面特性十分复杂，其主要
成分纤维素、半纤维素和木质素等含有大量的极性
羟基和酚羟基官能团，在与热塑性塑料进行加热混
合时，植物纤维容易团聚在一起而不易被打散，两
者界面之间不能很好地黏合，使得应力在界面不能
有效地传递，所制复合材料的冲击强度和拉伸强度
会显著降低，从而影响复合材料的综合性能[3-4]。常
见的改善热塑性塑料与植物纤维界面相容性的方
法有热处理法[5]，碱处理法[6]，表面接枝法[7]，偶联剂
处理[8]，蒸汽爆破法[9]等。
热处理法对植物纤维改性属于物理改性，不改
变纤维的化学组成，但改变了纤维的结构和表面性
能。对天然植物纤维如大麻、剑麻、木材等进行热
处理及制备复合材料已有相关研究[10]。但剑麻/聚
乳酸(PLA)复合材料的相关研究报道较少。本实验
采用真空干燥箱对剑麻纤维进行预处理，并与PLA
复合制备了剑麻纤维含量为50%的全降解环保型
复合材料，研究了热处理对剑麻纤维结构和剑麻/
PLA复合材料力学性能的影响。
1 实验部分
1.1 原料
剑麻纤维(SF），广东省湛江市东方剑麻集团；
PLA，3051D，注塑级，熔体流动速率55 g/10min
(210℃/2.16 kg)，Natural Works。
生物与降解材料
文献标识码 : A中图分类号 : TQ323.41
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2012年8月 第40卷 第8期（总第244期） 热处理剑麻/PLA复合材料的制备与力学性能研究
1.2 仪器与设备
真空干燥箱，D6050，上海齐欣科学仪器有限
公司；
开炼机，SK-160B，上海橡胶机械厂；
平板硫化机，QLB-25D/Q，无锡市第一橡塑机
械设备厂；
台式电子万能试验机，5566，美国INSTRON公司；
傅里叶红外光谱仪，Vector 3，德国Bruker公司；
扫描电子显微镜，S-3700，日本日立公司。
1.3 剑麻纤维热处理
用切割机将SF切成8 mm长，然后将其置入真
空干燥箱(设定温度150、180、200、220℃ )中，热处
理一定时间(10、20、30 min)；将经热处理的SF放入
烘箱中，105℃下干燥4 h，备用。
1.4 复合材料制备
分别称取一定质量的干燥PLA，与上述热处理
SF用开炼机在一定温度下混炼5 min，然后放入平
板硫化机模具中，模压成板材。将该板材压制成标
准样条，以备性能测试；在相同加工工艺条件下，制
备未经热处理的剑麻纤维/PLA复合材料，以便进行
对照。
1.5 性能测试与表征
拉伸性能试验按GB/T 1040.2—2006进行，拉
伸速度1 mm/min；
弯曲性能试验按GB 1449—2005进行，弯曲速
度2 mm/min，跨距64 mm，挠度6 mm；
红外光谱分析：用傅里叶红外光谱仪对热处理
前后的SF进行红外光谱分析；
SEM观察：用扫描电子显微镜观察典型试样的
拉伸断面形貌。
2 结果与讨论
2.1 红外光谱分析
图1为在真空干燥箱220℃下，对SF热处理10、
20、30 min后的红外光谱。本实验采用897 cm-1处
作为内标法定量分析的参照峰。从图1可以看出，
1 736 cm-1处为C O伸展振动吸收峰，在220℃热处
理下，该峰随热处理时间的延长先增大后减小，最
后又有所增大。这是因为随着热处理时间的增加，
SF中半纤维素发生了脱乙酰反应，生成了乙酸，乙
酸催化半纤维素中木聚糖的降解，生成了戊糖、己
糖等游离糖，而它们又脱水生成各种醛，使得C O
基团增多，导致1 736 cm-1处波强增大，在热处理后
期，各种易挥发成分的挥发导致此处吸收强度又减
小；3 400 cm-1处的—OH吸收峰强度随热处理时间
的增加先增大后减小，这可能是因为热处理后，SF
首先失去游离水和结合水，使游离羟基增多，但是
随着时间的增加，羟基之间又形成氢键或发生脱水
反应或与其他羧酸发生酯化反应，使羟基减少。另
外，半纤维素降解也能导致羟基含量减少。
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
20
40
60
80
100
120 ⌒ᮠ/cm-1 1234䘿ݹ⦷/%
热处理时间/min：1—0；2—10；3—20；4—30
图1 220℃下，不同热处理时间处理SF的红外光谱
Fig.1 IFR of heat-treated sisal fiber with different treating time at 220℃
图2为真空干燥箱分别在150、180、200、220℃
下，对SF热处理20 min后的红外光谱。从图2可以
看出，随着热处理温度的提高，3 390 cm-1处羟基的
吸收峰、1 630、1 464、1 320、1 250 cm-1处木质素的
特征吸收峰、1 736 cm-1处C O的伸展振动吸收峰
都呈先增大后减小、最后又增大的趋势。说明随
着热处理温度的升高，纤维的脱水、半纤维素的脱
乙酰反应变得更强烈，同时木质素也会通过裂解，
使带正电的苄基发生自缩聚反应，生成一些亚甲基
桥接点，木质素单元中芳环的自由活性点也开始增
多[11]，导致木质素的特征吸收峰强度增大；随着热
处理温度的进一步提高，羟基之间发生脱水反应，
半纤维素降解反应加剧，各种降解产物及抽提物
等挥发，C O基团减少，各峰强度又降低；但是随
着热处理温度继续升高，纤维的降解变得非常强
烈，纤维素聚合度下降，游离羟基增多，且单糖的脱
水反应也更激烈，形成了更多的C O结构，因此
3 390、1 736 cm-1处吸收强度又增大。另外，木质素
中亚甲基桥接点会与芳环交联形成新的木质素结
构[11]，使1 630、1 464、1 320、1 250 cm-1处木质素的
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热处理剑麻/PLA复合材料的制备与力学性能研究
特征吸收峰强度增大。
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
20
40
60
80
100
120
140
160 ⌒ᮠ/cm-1 12345䘿ݹ⦷/%
热处理温度/℃：1—未处理；2—150；3—180；4—200；5—220
图2 不同温度下对SF热处理20 min后的红外光谱
Fig.2 IFR of heat-treated sisal fiber for 20 min with different temperature
2.2 热处理对剑麻/PLA复合材料力学性能的
影响
图3为热处理温度和热处理时间对剑麻/PLA
复合材料拉伸强度的影响。从图3可以看出，180℃
时，随着热处理时间的增加，复合材料的拉伸强度
呈下降趋势，但是比未处理剑麻/PLA复合材料的拉
伸强度稍高；200℃时，复合材料的拉伸强度随热处
理时间的增加先增大后减小；而220℃时，随着热处
理时间的增加，复合材料的拉伸强度呈增大趋势。
这是因为180℃和200℃下热处理时，由于半纤维素
降解，纤维极性下降，有利于与PLA形成较好的界
面结合，但是随着热处理时间的增加，纤维进一步
受热降解，强度下降，复合材料的拉伸强度也下降，
界面结合的改善未能有效地提高复合材料的拉伸
强度；220℃热处理时，除了PLA与纤维界面结合变
好之外，随着时间的进一步增加(30 min)，植物纤维
内部发生木质素交联等反应使得纤维强度提高，另
外，由于纤维热处理后吸水性降低，其内部低分子
物质挥发，有利于形成致密的结构而使复合材料的
拉伸强度逐渐提高。
10 20 30
0
20
40
60
80ըᕪᓖ/MPa ✝༴⨶ᰦ䰤/minᵚ༴⨶ 180ć 200ć 220ćᵚ༴⨶
图3 热处理温度和热处理时间对剑麻/
PLA复合材料拉伸强度的影响
Fig.3 Effects of thermal treat temperature and treating time on tensile
strength of SF/PLA composites
图4为热处理温度和热处理时间对剑麻/PLA
复合材料弯曲模量的影响。从图4可以看出，随着
热处理时间的增加，同一处理温度下，复合材料的
弯曲模量与拉伸强度的变化趋势一致。180℃时，
随着热处理时间的增加，纤维降解，强度下降，虽然
界面结合有所改善，但是降解对材料的影响作用占
据主导，致使弯曲模量一直下降；200℃时，半纤维
素降解加剧，纤维极性下降，SF与PLA之间的相容
性大大改善，在纤维降解不太剧烈时(20 min)，弯曲
模量达到了极大值；220℃时，纤维降解加剧，SF本
身强度的下降，导致热处理对两相界面结合性能
的改善不足以进一步提高复合材料的弯曲性能，
但是在热处理时间增加到30 min时，植物纤维内部
形成的交联结构使得承受载荷时能更好地分散应
力，进而使弯曲模量又有所提高。综合来看，200℃
下热处理20 min后，复合材料的拉伸强度和弯曲模
量分别比未处理剑麻/PLA复合材料提高了9.3%和
26.1%；220℃下热处理30 min后，复合材料的拉伸强
度和弯曲模量比未处理剑麻/PLA复合材料分别提
高了19.8%和12.2%。
10 20 300
2000
4000
6000
8000ᕟᴢ⁑䟿/MPa ✝༴⨶ᰦ䰤/minᵚ༴⨶ 180ć 200ć 220ćᵚ༴⨶
图4 热处理温度和热处理时间对剑麻/
PLA复合材料弯曲模量的影响
Fig.4 Effects of thermal treat temperature and treating time on bending
modulus of SF/PLA composites
2.3 剑麻/PLA复合材料的微观形貌
图5为用扫描电镜观察到的真空条件下剑麻/
PP复合材料拉伸断面的微观形貌。从图5可以看
出，与未处理剑麻/PP复合材料(图5(a))相比，真空干
燥箱中180℃热处理20 min的剑麻与PLA之间的界
面仍然存在空隙，纤维被拔出，复合材料的拉伸性
能较差(图5(b))。200℃下热处理20 min后，剑麻与
PLA的界面结合较好，而且纤维细胞腔中填充了许
多PLA(图5(c)方框部分所示)，进一步提高了复合材
料的力学性能。220℃下热处理30 min后，纤维与
PLA之间的界面结合非常好，纤维细胞腔中填充有
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2012年8月 第40卷 第8期（总第244期） 热处理剑麻/PLA复合材料的制备与力学性能研究
许多PLA，但同时纤维细胞被挤扁，说明纤维本身强
度已经下降，在制备复合材料时容易剪切断裂或模
压时被压扁。因此，随着热处理温度的提高，半纤
维素降解，羟基减少，SF与PLA之间的相容性改善，
但是温度进一步提高，SF本身强度下降，导致热处
理对两相界面结合性能的改善不足以进一步提高
复合材料的弯曲性能，但是仍然比未处理复合材料
的弯曲性能要好。
(a) 未处理 (b)180℃处理20 min
(c)200℃处理20 min (d)20℃处理30 min
图5 热处理剑麻/PLA复合材料拉伸断面的SEM照片
Fig.5 SEM images of tensile fracture of SF/PLA composites
3 结论
(1) 对SF进行热处理能使半纤维素降解，有利
于降低纤维的亲水性，使SF表面自由能降低，从而
使其与PLA的界面结合力增强，复合材料的性能能
够得到改善。
(2) 用真空干燥箱对SF进行热处理制得的复合
材料与未处理相比，其综合力学性能提高，且提高
幅度与热处理温度和热处理时间密切相关。
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两项塑机新行标全行业发布并实施
日前，由大连橡胶塑料机械股份有限公司主持起草的《单螺杆塑料挤出机》及《塑料挤出吹塑薄膜辅机》两项
机械行业标准，已由工业和信息化部批准，并在全行业发布实施。
据悉，该标准结合目前国内外塑料行业对单螺杆塑料挤出机及塑料挤出吹塑薄膜辅机的实际使用情况，参考
国内外有关标准进行修订。标准规范了单螺杆塑料挤出机及塑料挤出吹塑薄膜辅机的设计、加工及检验等要求，
使用户对这两项产品的选型、订货、验收及使用有据可依。修订后的新标准接近国际水平，代表了国内最新的技
术要求。
行 业 动 态