全 文 ：蒸汽爆破预处理 PLA /剑麻复合材料的性能研究*
张叶青 冯彦洪 瞿金平 何和智 韩丽燕
(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，广州 510640)
摘要 对剑麻纤维(SF)进行蒸汽爆破预处理，并与可生物降解材料聚乳酸(PLA)经模压成型制备降解复合材
料，研究了混炼温度、SF含量及蒸汽爆破预处理对复合材料力学性能的影响，并通过 X射线光电子能谱(XPS)和扫
描电子显微镜(SEM)分析了其作用机理。结果表明，蒸汽爆破预处理可提高 SF 纤维素的含量，增大纤维的比表面
积，使复合材料的力学性能得到改善;SF质量分数为 50%时，复合材料的综合性能最佳;且随着混炼温度的升高，纤
维的分散性变好，复合材料力学性能得到提高，混炼温度为 230℃时复合材料的力学性能最佳。
关键词 聚乳酸 剑麻 复合材料 温度 蒸汽爆破
植物纤维增强聚乳酸(PLA)是一种全降解复合
材料，近年来许多学者对其进行了研究［1 － 2］。文献
［3 － 4］报道了采用化学方法对植物纤维进行改性，
但这些处理对增强复合材料的力学性能影响不明
显，甚至还会降低复合材料的力学性能。在这些研
究中，工艺比较复杂，且一般设定加工温度低于
200℃［5 － 7］，以避免植物纤维部分成分的降解，影响
复合材料的力学性能。天然纤维因具有价格低廉、
可回收、可降解、可再生、对环境无污染等特点而倍
受青睐，其中麻纤维很适合作为树脂基复合材料的
增强材料［8］。笔者采用蒸汽爆破预处理剑麻纤维
(SF)［9］，并用于增强 PLA，研究了混炼温度、SF 含
量及蒸汽爆破预处理对 PLA /SF复合材料力学性能
的影响。
1 实验部分
1． 1 主要原材料
PLA:熔体流动速率(MFR)为 29． 4 g /10 min，
Naturalworks公司;
SF:广东省湛江市东方剑麻集团。
1． 2 主要设备、仪器
蒸汽爆破机:自制;
开炼机:SK －160B型，上海橡胶机械厂;
平板硫化机:QLB －25D /Q型，无锡市第一橡塑
机械设备厂;
MFR仪:MP －933 型，美国 Tinius Olsen公司;
摆锤冲击试验机:POE2000 型，美国 Instron 公
司;
台式电子万能试验机:5566 型，美国 Instron 公
司;
扫描电子显微镜(SEM) :S － 3700 型，日本日立
公司;
X射线光电子能谱(XPS)仪:Krotos Axis Ultra
(DLD)型，英国 Kratos Analytical公司。
1． 3 试样制备
称取一定量 SF加水至含水量达 40%，放置 4 ～
5 h，使水充分浸润 SF。将经水充分浸润过的 SF 放
入蒸汽爆破机中进行爆破，爆破压力为 1． 5 MPa，然
后将爆破过的 SF 在 100℃下干燥 12 h。称取一定
量的 PLA和蒸汽爆破 SF，用双辊开炼机在一定温度
下进行混炼，将复合物放入预先加热到 185℃的平
板硫化机模具中，在 10 MPa压力下保压 5 min，模压
成型板材试样。另外按上述同样的方法用切短并干
燥后的 SF与 PLA制成复合材料板材试样。
1． 4 性能测试
拉伸性能按 GB /T 1040． 2 － 2006 测试;
弯曲性能按 GB /T 1449 － 2005 测试;
冲击性能按 GB /T 1843 － 2008 测试;
将 PLA 和各混炼温度下加工后的 PLA 进行
MFR测试，测试条件为 190℃、2． 16 kg;
对蒸汽爆破前后的 SF进行 XPS分析;
用 SEM观察蒸汽爆破前后 SF的形貌和典型复
合材料试样的拉伸断面形貌并拍照。
2 结果与讨论
2． 1 混炼温度对复合材料力学性能的影响
采用质量分数为 50%的蒸汽爆破 SF，混炼温度
分别设定为185、200、220、230℃，得到的各混炼温度
下复合材料的力学性能，如图1所示。从图1可知，
* 国家自然科学基金项目(50903033、10872071、50973035)、国
家科技支撑计划项目(2009BAI84B05、2009BAI84B06)、中央高校基
本科研业务费项目(2009ZM0317)、广州市科技计划项目(2007Z2 －
D9151)
收稿日期:2011-02-14
03 工程塑料应用 2011 年，第 39 卷，第 4 期
PLA /SF复合材料的拉伸强度首先随混炼温度的升
高而降低，200℃时拉伸强度最低，而后又升高，在
230℃时达到最大值。复合材料的弯曲强度随着混
炼温度的升高而缓慢上升，在 220℃时达到最大值，
之后则有所下降。
图 1 混炼温度对复合材料力学性能的影响
针对以上现象，笔者测定了原料 PLA 和各混炼
温度条件下加工后的 PLA基体材料的 MFR，其中原
料 PLA的 MFR 为 29． 4 g /10 min，表 1 为各混炼温
度下加工后的 PLA的 MFR 和拉伸强度。从表 1 可
以看出，混炼温度为 200℃时 PLA 基体材料的 MFR
最大、拉伸强度最低，其降解得最厉害，此时纤维的
增强作用弥补不了基体的降解作用，即整体上复合
材料的拉伸强度降低。当混炼温度从 200℃升高到
220℃时，PLA基体材料的 MFR降低，这可能是因为
温度升高分子链活性增强，部分断裂后的分子链又
重新连接起来组成大分子，使分子量增大，MFR 随
之降低。在混炼温度为 220℃时，由于分子链重新
连接方式处于上峰，而且温度升高，基体材料流动性
好，分子链活动能力增强，使 SF 在基体中分布更加
均匀，界面结合良好，基体拉伸强度比 200℃时有所
增加。而混炼温度为 230℃时，基体的力学性能与
220℃时相差不多，但 MFR 增大，SF 的分散性更好，
因而复合材料的力学性能得到提高。
表 1 各混炼温度下 PLA的 MFR和拉伸强度
温度 /℃ 185 200 220 230
MFR /
g·(10 min)－ 1 30． 9 53． 4 36． 0 42． 7
拉伸强度 /MPa 54． 7 51． 4 52． 1 52． 3
2． 2 SF含量对复合材料力学性能的影响
当混炼温度为 230℃时，复合材料的力学性能
最好，因此在固定混炼温度为 230℃、混炼时间为 6
min 的条件下，变换 SF 的含量(其质量分数为
30%、50%、60%) ，在相同的工艺条件下，制备不同
SF含量的复合材料板材，对其进行力学性能测试，
结果如表 2 所示。
表 2 SF含量对复合材料力学性能的影响
纤维质量分数 /% 0 30 50 60
拉伸强度 /MPa 52． 2 44． 4 70． 0 53． 0
弯曲强度 /MPa 81． 6 83． 5 87． 9 82． 0
由表 2 可知，PLA /SF 复合材料的拉伸强度在
SF质量分数为 30%时最低，因为此时 SF 的增强作
用不足以弥补其所形成的缺陷，因此降低了复合材
料的力学性能。当 SF 质量分数增加到 50% 时，
PLA /SF复合材料的拉伸强度达到最大。当 SF 含
量继续增加时，由于纤维含量很高，大量的纤维容易
团聚在一起，分散性不好，造成力学性能开始下降。
PLA /SF复合材料的弯曲强度先上升后下降，在 SF
质量分数为 50%时，弯曲强度也达到最大。
2． 3 蒸汽爆破预处理对复合材料力学性能的影响
为了研究蒸汽爆破预处理对复合材料力学性能
的影响，在较佳的加工温度条件下作了对比实验，即
设定剑麻质量分数为 50%、混炼温度为 230 ℃，结
果如图 2 所示。由图 2 可知，PLA /蒸汽爆破 SF 复
合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度与 PLA /未
处理 SF复合材料相比分别增加了 65． 1%、38． 2%
和 94． 8%。可以看出，经蒸汽爆破处理后的复合材
料的力学性能大幅度提高。
图 2 蒸汽爆破预处理对复合材料力学性能的影响
2． 4 XPS分析
对蒸汽爆破前后的 SF 进行 XPS 分析，研究了
SF表面分子结构及化学组分的影响，结果如图 3 和
表 3 所示。在 SF中可被 XPS 分析的原子只有碳和
氧，C1s在纤维表面有四种结合方式
［10 － 11］，C1、C2、
C3、C4 代表不同类型的碳原子，它们的束缚能分别
位于 285 eV、286． 5 eV、288． 3 eV 和 289． 5 eV 处。
O1s的结合能为 532 eV，其中低结合能的 O1 来自木
质素( C O ) ，高结合能的 O2 则主要来自碳水化
合物(C—O)。O /C比说明了纤维表面存在的木质
素含量，也反映纤维比表面积的大小，胞间层的木质
素是否处于暴露状态［12］。
结合图 3和表3可知，蒸汽爆破处理可使O2 /C1
13张叶青，等:蒸汽爆破预处理 PLA /剑麻复合材料的性能研究
a—未处理 SF;b—蒸汽爆破处理 SF
图 3 SF表面 C1s的 XPS谱图
表 3 SF表面 C1s和 O1s的 XPS谱图数据 %
项 目 C1 C2 C3 C4 O1 O2 O1 /C1 O2 /C1 O /C
未处理
SF 54． 93 33． 36 6． 87 4． 84 22． 82 77． 18 41． 54 140． 51 27． 86
蒸汽爆破
处理 SF 49． 49 37． 36 4． 98 8． 16 9． 06 90． 94 18． 31 183． 75 30． 33
的比值提高，这说明蒸汽爆破处理使纤维比表面积
增加，亲水性基团更多。纤维分离导致富含碳水化
合物的次生壁暴露而使 O2 /C1 比值较高。爆破后
的 O1 和 C1 的峰面积减小，说明木质素含量降低。
经过蒸汽爆破后的 SF表面有较高的 O /C 比和较小
的 C1 峰面积，说明蒸汽爆破后的 SF 表面有较高含
量的碳水化合物和较低含量的木质素和抽提物。在
蒸汽爆破过程中，在高温高压环境下，部分半纤维素
可能发生脱乙酰化作用，形成了有机酸，加上木质素
上的 β-酯键的水解作用，致使 C4 峰的面积增大。
综上分析可知，蒸汽爆破能够使植物纤维中的
半纤维素、木质素成分发生降解或转化，使纤维组分
分离，从而改变植物纤维的表面形态，增加纤维的比
表面积，使复合材料的力学性能得到提高。
2． 5 SEM分析
图 4 为蒸汽爆破前后 SF的 SEM照片。从图 4a
可以看出，SF 在爆破处理之前均呈束状结构，很多
纤维紧密结合在一起，纤维直径较大，并且粘附着很
多杂质颗粒。而从图 4b可以看出，经过爆破处理后
纤维束解离出许多纤维细胞，纤维的长径比变大，比
表面积增加，在复合材料制备过程中，纤维与基体材
料的有效接触面积增加。从图 4c放大 5000 倍的单
根植物纤维外貌形态可以看出，纤维表面凹凸不平，
熔融后的基体树脂可以嵌入到植物纤维表面的凹槽
中形成穿插，使复合材料的界面结合更加牢固，从而
增加了复合材料的力学性能。
继续采用 SEM 对不同温度下 SF 质量分数为
50%的复合材料的拉伸断面进行观察并拍照，如图
5 所示。
从图 5a可以看出，混炼温度为 185℃时，复合
材料的断面有很多孔洞，这些孔洞是纤维拔出后所
形成，说明 185℃时的复合材料受到破坏时，纤维以
拔出为主，纤维与基体之间界面粘结性不好。图 5b
显示在混炼温度为 200℃时，纤维分散不均，其与基
体之间留有很大空隙，纤维比较长，且表面比较光
滑，说明界面粘结性不好，纤维主要以拔出为主。图
5c是混炼温度为 220℃时的拉伸断面，可以看出纤
维分布不均，纤维之间存在很大的空隙没有被基体
23 工程塑料应用 2011 年，第 39 卷，第 4 期
材料填满，宏观上表现为力学强度不高。图 5d 为
230℃时拉伸断面的情况，从图中看不到完整的纤
维，基本为纤维纵向断面，在复合材料被破坏时，纤
维被撕裂，且纤维排布比较均匀，没有出现团聚现
象，纤维起到了传递应力和增强的作用。
3 结论
(1)当混炼温度为230℃、蒸汽爆破SF纤维的质
量分数为 50% 时，PLA /SF复合材料的力学性能最
佳。
(2)SF经蒸汽爆破处理后，一方面降低了 SF中
半纤维素含量，提高了纤维素的含量;另一方面，纤
维中的半纤维素、木质素成分发生降解或转化，分离
出具有大长径比的纤维细胞，改变了纤维的表面形
态，比表面积增加，并且纤维表面变得凹凸不平，熔
融后的基体树脂可以嵌入到植物纤维表面的凹槽中
形成穿插，致使复合材料的界面结合变得更加牢固，
从而使复合材料的力学性能得到提高。
参 考 文 献
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RESEARCH ON PROPERTIES OF PLA/STEAM EXPLOSION PRETREATMENT SISAL COMPOSITES
Zhang Yeqing，Feng Yanhong，Qu Jinping，He Hezhi，Han Liyan
(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)
ABSTRACT Sisal fiber(SF)was pretreated by steam explosion，the degradation composite were prepared with biodegradable
polylactic acid(PLA)by press moulding． The effect of mixing temperature，fiber content and steam explosion pretreatment of SF on the
mechanical properties of the composite was investigated，and the mechanism was studied by X-ray photo electron spectroscopy(XPS)
and scanning electron microscope(SEM)． The results showed that the content of cellulose and the specific surface area of SF could be
increased by steam explosion pretreatment，so that the mechanical properties of composite could be improved． when the mass fraction of
SF was 50%，the synthetic properties of the composite were the best，and as the mixing temperature increasing，the dispersion of SF
got better，thus the mechanical properties of the composites increased． When the mixing temperature was 230℃，the mechanical prop-
erties of the composite were the best．
KEYWORDS ploylactic acid，sisal fiber，composite，temperature，
櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆
steam explosion
上海拟建立聚氨酯保温材料阻燃检测实验室
近日，上海聚氨酯促进中心与上海市计量测试技术研究
院和上海理工大学商讨聚氨酯保温材料快速检测事宜。
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海理工大学三方达成一致意见共建上海市聚氨酯产业发展
促进中心聚氨酯建筑节能安全工作组聚氨酯保温材料阻燃
检测实验室。 (中化网)
33张叶青，等:蒸汽爆破预处理 PLA /剑麻复合材料的性能研究