薛一帆，韓晨陽(yáng)，倪忠進(jìn)，倪益華，呂 艷

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州311300）

隨著全球資源的匱乏和環(huán)境污染的加劇，木塑復(fù)合材料（Wood-polymer Comosites，簡(jiǎn)稱WPC）作為一種新興的環(huán)保材料而廣受世界各國(guó)的關(guān)注和青睞［1］，對(duì)于木塑產(chǎn)品的需求也逐年增加。然而傳統(tǒng)木塑復(fù)合材料一般是以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等石油基塑料作為基體［2］，廢棄木材、農(nóng)作物秸稈等植物纖維作為填料復(fù)合而成［3－4］，具有不可再生，不可完全降解的缺點(diǎn)［5－6］，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始聚焦于可生物降解塑料與植物纖維復(fù)合制備的可完全降解木塑復(fù)合材料。聚乳酸（PLA）是一種以植物玉米為原料制得的可完全生物降解的熱塑性塑料，具有與傳統(tǒng)石油基塑料相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，并且擁有良好的生物降解性，生物相容性和資源可再生性。竹粉（BF）作為眾多天然植物纖維中的一種，其來(lái)源廣泛，具有較好的長(zhǎng)徑比、比強(qiáng)度高和價(jià)廉質(zhì)輕等特點(diǎn)。以聚乳酸作為基體，竹粉作為填料制備的竹塑復(fù)合材料作為木塑復(fù)合材料的衍生產(chǎn)品，它不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)木塑復(fù)合材料的不可再生以及不可完全降解的缺陷，而且減少了對(duì)木材資源的依賴，可廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、汽車內(nèi)飾和快遞包裝等領(lǐng)域［7－9］。

BF／PLA竹塑復(fù)合材料中BF的含量對(duì)復(fù)合材料的性能有著很大的影響。含量過(guò)高時(shí)，BF在PLA基體中容易發(fā)生團(tuán)聚，PLA不能完全包裹住BF，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部存在弱界面，不能有效傳遞應(yīng)力，使復(fù)合材料的力學(xué)性能急劇下降，而且BF含量過(guò)高時(shí)會(huì)使得材料的流動(dòng)性變差，不易加工；但是BF含量過(guò)低時(shí)，又達(dá)不到降低成本的效果［10－11］。因此需對(duì)不同竹粉含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響進(jìn)行相應(yīng)的研究。Park B D等［12］研究發(fā)現(xiàn)，隨著木粉含量的增加，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有所提高，但材料的沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有所下降。并且由于BF表面存在大量羥基、羧基等親水性基團(tuán)，導(dǎo)致其與PLA基體之間的相容性較差［13］，因此需對(duì)BF進(jìn)行改性處理，對(duì)BF與PLA的界面進(jìn)行調(diào)控來(lái)提高其相容性。Hongli Zhang［14］采用烷基烯酮二聚物（ADK）作為偶聯(lián)劑對(duì)楊木纖維進(jìn)行改性，制備楊木纖維／PP復(fù)合材料，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于未改性的復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)ADK改性的楊木纖維與聚合物基體之間的相容性得到改善，復(fù)合材料的機(jī)械性能有了明顯的提高。

研究采用竹粉和聚乳酸作為原料，使用熱壓成型工藝制備全降解的聚乳酸基竹塑復(fù)合材料。首先研究了竹粉含量對(duì)該材料的加工流變性、結(jié)晶性能、力學(xué)性能和吸水率等綜合性能的影響規(guī)律，隨后對(duì)竹粉分別進(jìn)行了堿處理和硅烷偶聯(lián)劑改性，探索了這兩種改性方式對(duì)該材料結(jié)晶性能、界面相容性、力學(xué)性能和吸水率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚乳酸（PLA），美國(guó)Nature Works公司，粉末狀；竹粉（BF），40－80目，購(gòu)于臨安明珠竹粉廠；硅烷偶聯(lián)劑：KH560，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鈉（NaOH），上海阿拉丁生化科技股份有限公司，固體顆粒狀；其他試劑均為市售工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

哈克轉(zhuǎn)矩流變儀：HAKKE Polylab QC，美國(guó)熱電（卡爾斯魯厄）公司；平板硫化機(jī)：XLB-D350×350，浙江湖州東方機(jī)械有限公司；高速混合機(jī)：BC-50A，博昌環(huán)?？萍加邢薰荆桓咚俜鬯闄C(jī)：DE-500g，浙江紅景天工貿(mào)有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司；掃描電子顯微鏡：JSM-7200F，日本電子捷歐路；電子天平：余姚紀(jì)銘設(shè)備有限公司JM2003；電熱恒溫干燥箱：上海葉拓儀器儀表有限公司202系列；超聲分散器：上海生析超聲儀器有限公司FS-600N；傅立葉變換顯微紅外光譜儀：Nicolet6700，Thermo Scientific；X射線多晶衍射儀：D8 advance。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 竹粉的堿處理 將干燥后的竹粉按照1∶15的固液比放入3%濃度的氫氧化鈉溶液中，使用超聲波分散機(jī)將其混合均勻，并于60℃下水浴反應(yīng)4 h。隨后用紗布將竹粉過(guò)濾出來(lái)，并用去離子水反復(fù)清洗至中性，最后放入鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重。

1.3.2 竹粉的偶聯(lián)劑改性 首先配置體積比為1∶9的水∶乙醇溶液，并用冰醋酸將水∶乙醇溶液的pH值調(diào)節(jié)至4左右，之后加入一定量的硅烷偶聯(lián)劑KH560，并用超聲分散器震蕩1 h使其充分水解，當(dāng)不透明絮狀物消失后，水解完成。再將干燥后的竹粉按照固液比1∶6放入硅烷偶聯(lián)劑的水解溶液中，并于30℃水浴下充分?jǐn)嚢? h，最后置于通風(fēng)櫥內(nèi)至溶劑完全揮發(fā)。

1.3.3 試樣的制備 分別稱取一定量的PLA粉末和竹粉，放入烘箱中干燥24 h，溫度設(shè)置為60℃。將干燥后的聚乳酸和竹粉按比例放入高速混合機(jī)中共混，然后將所得共混物投入哈克轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，溫度設(shè)置為180℃，轉(zhuǎn)速60 r·min－1，共混時(shí)間：10 min，將熔融共混所得物料使用高速粉碎機(jī)粉碎成顆粒狀，然后放入模具中使用平板硫化機(jī)熱壓，溫度設(shè)置為180℃，壓力為10 MPa，熱壓時(shí)間為10 min，最后在10 MPa下冷壓10 min成型。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 加工流變性能 使用哈克轉(zhuǎn)矩流變儀進(jìn)行測(cè)試，投料量為50 g，溫度設(shè)置為180℃，轉(zhuǎn)速為60 r·min－1，時(shí)間為10 min。

1.4.2 XRD分析 使用布魯克X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試，管壓30 kV，管流30 mA，范圍5°－90°，步調(diào)0.02°，掃描速率5°·min－1。

1.4.3 力學(xué)性能 拉伸性能按GB／T 1040.2－2006測(cè)試，拉伸樣條如圖1所示，試驗(yàn)速度為5 mm·min－1，測(cè)試樣條數(shù)目為5根，數(shù)據(jù)取平均值。

圖1 熱壓成型Fig.1 Hot pressing molding

彎曲強(qiáng)度按GB／T 1449－2005測(cè)試，彎曲樣條如圖2所示，彎曲間隔設(shè)置為60 mm，試驗(yàn)速度為2 mm·min－1，測(cè)試樣條數(shù)目為5根，數(shù)據(jù)取平均值。

圖2 拉伸樣條Fig.2 Stretch spline

沖擊強(qiáng)度按GB／T 1843－2008測(cè)試，沖擊樣條與彎曲樣條相同，測(cè)試樣條數(shù)目為5根，數(shù)據(jù)取平均值。

圖3 彎曲樣條Fig.3 Curved spline

1.4.4 微觀形貌 使用JSM-7200F掃描電子顯微鏡對(duì)試樣沖擊斷面進(jìn)行觀察并拍照，放大倍數(shù)為1 000倍，加速電壓為10 kV。

1.4.5 吸水性能 吸水性能按GB／T 17657－2013測(cè)試，根據(jù)實(shí)際情況，試樣尺寸為20×20×4 mm，每組3個(gè)試樣，首先準(zhǔn)確稱量試樣質(zhì)量m1，之后將試樣浸于pH值為7±1，溫度為（20±1）℃的水槽中，保持試樣與水槽底部和槽壁之間至少相距15 mm，試樣上部低于水面（25±5）mm，以保證試樣充分吸水膨脹。分別在24、48、72、96、120 h后取出試樣，擦去表面附著的水，稱量其質(zhì)量m2。吸水率計(jì)算公式為：

式中：W——試樣吸水率（%）；m1——試樣浸水前質(zhì)量，單位為克（g）；m2——試樣浸水后質(zhì)量，單位為克（g）。

1.4.6 FT-IR分析 使用傅立葉變換顯微紅外光譜儀進(jìn)行進(jìn)行紅外光譜測(cè)定，將樣品與KBr粉末混合研磨制備測(cè)試圓片。掃描的波長(zhǎng)范圍為4 000～500 cm－1，分辨率為4 cm－1。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹粉含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響

2.1.1 加工流變性能 圖4展示了不同竹粉含量物料在轉(zhuǎn)矩流變儀中轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線。從圖中的變化曲線可以看出，在物料加入的起始，不同含量竹粉的物料的轉(zhuǎn)矩均迅速上升，隨后開(kāi)始逐漸下降，形成一個(gè)加料峰，最后逐漸的穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。在竹粉和聚乳酸的共混物剛被加入哈克轉(zhuǎn)矩流變儀的密煉室時(shí)，聚乳酸不能在第一時(shí)間完全受熱熔化從而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)困難，轉(zhuǎn)矩增大較為明顯，曲線上的加料峰便是因此形成［15］。隨著竹粉和聚乳酸的共混物在密煉室中被加熱，壓縮，剪切，竹粉逐漸均勻的分散于熔融的聚乳酸中，整體形態(tài)結(jié)構(gòu)趨于平衡，轉(zhuǎn)矩也隨之趨于穩(wěn)定，達(dá)到了平衡轉(zhuǎn)矩。從圖中可以看出，竹粉的含量越高，平衡轉(zhuǎn)矩就越大。在竹粉含量在20%～30%的時(shí)候，物料的平衡轉(zhuǎn)矩上升幅度不大，仍具有較好的加工流變性，當(dāng)竹粉含量上升到50%～60%時(shí)，物料的平衡轉(zhuǎn)矩大大增加，此時(shí)物料的加工流變性大幅度降低，不利于物料的成型加工。

圖4 BF／PLA復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 BF／PLA composite torque curve with time

2.2.2 XRD分析 圖5展示了不同竹粉含量復(fù)合材料的XRD曲線。從圖中的變化曲線可以看出，純PLA的XRD圖譜的曲線在20°和23°形成了十分顯著的結(jié)晶衍射峰。而竹粉／聚乳酸復(fù)合材料在此處的結(jié)晶衍射峰大幅度的減小，并且在其它位置沒(méi)有新的衍射峰生成，這說(shuō)明竹粉的加入不會(huì)改變純聚乳酸的晶型，并且過(guò)多竹粉的加入阻礙了聚乳酸的結(jié)晶。當(dāng)竹粉含量在50%～60%的時(shí)候，復(fù)合材料的結(jié)晶衍射峰幾乎消失，這主要是因?yàn)?，竹粉含量過(guò)高，形成了聚乳酸分子鏈和竹粉纏繞的現(xiàn)象，聚乳酸分子鏈的運(yùn)動(dòng)因此受到阻礙，而且，過(guò)高的竹粉含量，阻礙了熱量的傳遞，聚乳酸分子鏈運(yùn)動(dòng)結(jié)晶時(shí)間推遲并且結(jié)晶時(shí)的溫度也因此降低，導(dǎo)致聚乳酸的無(wú)序分子鏈活躍度降低，不易在竹粉纖維表面上形成結(jié)晶點(diǎn)，因此其結(jié)晶度大幅度降低。

圖5 不同竹粉質(zhì)量含量的BF／PLA復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of BF／PLA composites with different proportion of bamboo powder

2.2.2 力學(xué)性能 圖6展示了不同竹粉含量復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能：其中（A）為拉伸強(qiáng)度；（B）為彎曲強(qiáng)度；（C）為沖擊強(qiáng)度。從圖中的（A）（B）可以看出，隨著竹粉含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)竹粉含量50%時(shí)達(dá)到最大，分別為11.5MPa和17.3MPa，隨后則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。竹粉作為一種增強(qiáng)填料，當(dāng)其添加量較少時(shí)，竹粉在聚乳酸基體中分布不均勻，容易在聚乳酸基體的局部產(chǎn)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，應(yīng)力局部增強(qiáng)從而導(dǎo)致了復(fù)合材料整體的拉伸強(qiáng)度下降。在竹粉含量進(jìn)一步增加時(shí)，竹粉開(kāi)始均勻的分散于聚乳酸基體中，并且竹粉彼此接觸，引起交叉甚至纏繞，纖維之間相互約束［16］，應(yīng)力集中的現(xiàn)象明顯減弱從而使得復(fù)合材料能夠承受更大的作用力，所以復(fù)合材料在此時(shí)表現(xiàn)出了較好的強(qiáng)度。在竹粉所占比重上升到60%的時(shí)候，聚乳酸已經(jīng)無(wú)法完全的包裹住竹粉，復(fù)合材料整體較為松散，內(nèi)部產(chǎn)生了大量的縫隙，因此使得復(fù)合材料整體的力學(xué)性能表現(xiàn)極差。

圖6 不同竹粉含量復(fù)合材料的力學(xué)性能（A）為拉伸強(qiáng)度；（B）為彎曲強(qiáng)度；（C）為沖擊強(qiáng)度Fig.6 Mechanical properties of composite materials with different bamboo powder content（A）tensile strength；（B）bending strength；（C）impact strength

從圖中（C）可以看出，沖擊強(qiáng)度和竹粉含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，竹粉含量越多，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度越低，韌性越差。在竹粉所占比重上升到60%的時(shí)候，該材料的沖擊強(qiáng)度僅為5.2 kJ·m－2。造成該現(xiàn)象的原因是因?yàn)橹穹凼且环N剛性材料，它的韌性較差，由竹粉和聚乳酸制備得到的復(fù)合材料在受到外力沖擊時(shí)，其實(shí)主要是依靠聚乳酸來(lái)吸收沖擊產(chǎn)生的能量，當(dāng)竹粉含量越多，聚乳酸所占的比例越小，復(fù)合材料的吸收沖擊能量的能力也就越弱。因此復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度與竹粉含量呈負(fù)相關(guān)。

2.2.3 微觀形貌 圖7展示了不同竹粉含量復(fù)合材料的SEM照：（A）為20%；（B）為30%；（C）：40%；（D）為50%；（E）為60%。從圖中可以看出，復(fù)合材料的沖擊斷面較為粗糙，并且有著竹粉被拔出脫落后留下的孔洞，竹粉與聚乳酸基體之間也存在著縫隙，竹粉和聚乳酸基體之間的結(jié)合度表現(xiàn)較差，彼此之間的相容性不佳。在竹粉含量為20%～30%的時(shí)候，竹粉被聚乳酸完全包裹，存在著部分團(tuán)聚，當(dāng)竹粉含量進(jìn)一步增加時(shí)，斷面粗糙度增加，竹粉在聚乳酸基體中的分布形態(tài)各異，在竹粉含量為50%的時(shí)候，竹粉在聚乳酸基體中的分布相對(duì)較為均勻，因此在力學(xué)性能測(cè)試的時(shí)候復(fù)合材料表現(xiàn)出相對(duì)較好的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。在竹粉含量為60%的時(shí)候，復(fù)合材料斷面的孔洞和縫隙明顯增多，聚乳酸基體不足以完全包裹住竹粉，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

圖7 不同竹粉含量復(fù)合材料的SEM 照（A）為20%；（B）為30%；（C）為40%；（D）為50%；（E）為60%Fig.7 SEM photos of composite materials with different bamboo powder content（A）20%；（B）30%；（C）40%；（D）50%；（E）60%

2.2.4 吸水性能 圖8展示了不同竹粉含量復(fù)合材料的吸水率。從圖中可以看出，復(fù)合材料的吸水率隨著時(shí)間和竹粉含量的增加而逐漸上升。分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可以概括為2個(gè)，第一個(gè)原因是因?yàn)榫廴樗岜旧硎鞘杷圆牧?，而竹粉是親水性材料。因此竹粉／聚乳酸復(fù)合材料的吸水率主要是受竹粉含量的影響較明顯，兩者呈正相關(guān)性；第二個(gè)原因是因?yàn)槭艿街穹叟c聚乳酸基體之間的間隙影響，由于竹粉和聚乳酸的相容性較差，竹粉含量越多。復(fù)合材料的間隙越大，分布越廣，其吸水率也就隨之上升。

圖8 不同竹粉含量復(fù)合材料的吸水率Fig.8 Water absorption of composite materials with different bamboo powder content

2.2 竹粉改性對(duì)復(fù)合材料性能的影響

2.2.1 FT-IR分析 鑒于極性的竹粉與非極性的聚乳酸之間的界面相容較差，本次試驗(yàn)對(duì)竹粉分別進(jìn)行了堿處理和硅烷偶聯(lián)劑改性。為了驗(yàn)證改性效果，對(duì)改性前后的竹粉進(jìn)行了紅外光譜分析。圖9不同竹粉改性方式復(fù)合材料的紅外光譜：（A）為堿處理改性；（B）為硅烷偶聯(lián)劑改性。有圖中（A）可知，堿處理前后的竹粉在3 050～3 600 cm－1之間有一個(gè)較寬的峰，這是－OH的振動(dòng)吸收峰［17］。對(duì)比這兩條曲線可以看出，堿處理改性后竹粉的－OH振動(dòng)吸收峰明顯減弱，這說(shuō)明竹粉表面的－OH與NaOH發(fā)生了反應(yīng)。1 645 cm－1和1 740 cm－1處分別為木質(zhì)素的－C＝O伸縮振動(dòng)峰和半纖維素的＞C＝O伸縮振動(dòng)峰?？梢钥闯觯瑝A處理后的竹粉在這2處的伸縮振動(dòng)峰明顯減弱，近乎消失，這說(shuō)明堿處理很好的去除了竹粉表面的木質(zhì)素、果膠和半纖維素等雜質(zhì)，從而改善了竹粉的極性。

圖9 不同竹粉改性方式復(fù)合材料的紅外光譜（A）為堿處理改性；（B）為硅烷偶聯(lián)劑改性Fig.9 Infrared spectra of composite materials with different bamboo powder modification methods（A）alkali modification；（B）silane coupling agent modification

由圖（B）可知，經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑KH-560改性后的竹粉在3 050－3 700 cm－1之間的－OH的振動(dòng)吸收峰明顯減弱，這說(shuō)明偶聯(lián)劑與竹粉表面的羥基－OH發(fā)生了反應(yīng)。并且可以看出在1 080 cm－1處，偶聯(lián)劑改性后的竹粉在此的峰明顯強(qiáng)于未改性的竹粉，另外在764 cm－1處出現(xiàn)了一個(gè)新的特征峰，該處特征峰是因?yàn)楣柰榇及l(fā)生了自聚反應(yīng)而生成了Si-O-Si共價(jià)鍵。這說(shuō)明KH-560水解后生成的含Si-OH的硅醇與竹粉表面的羥基－OH反應(yīng)，脫水形成共價(jià)鍵Si-O-Si，從而改善了竹粉的極性。

2.2.2 XRD分析 圖10展示了不同竹粉改性方式的復(fù)合材料的XRD曲線。從圖中可以看出，相較于未改性的復(fù)合材料的XRD曲線，堿處理后的復(fù)合材料的XRD曲線的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，復(fù)合材料的結(jié)晶度上升。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)閴A處理在去除了竹粉表面膠質(zhì)的時(shí)候，變相的增加了竹粉表面得粗糙度，形成了很多細(xì)小的纖維絲，聚乳酸的異相結(jié)晶率上升，因此材料的結(jié)晶度提高。而硅烷偶聯(lián)劑改性后的復(fù)合材料的XRD曲線的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，結(jié)晶度相比未改性的復(fù)合材料明顯降低。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑改性后竹粉與聚乳酸基體之間形成了共價(jià)鍵，相互作用力增強(qiáng)，相容性提高，但是也導(dǎo)致聚乳酸分子鏈的自由運(yùn)動(dòng)受到了相對(duì)更強(qiáng)的阻礙，因此導(dǎo)致復(fù)合材料的結(jié)晶度下降。

圖10 不同BF改性方式的BF／PLA復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.10 XRD patterns of BF／PLA composites with different BF modification methods

2.2.3 力學(xué)性能 針對(duì)竹粉與聚乳酸基體之間的相容性較差的情況，試驗(yàn)對(duì)竹粉分別進(jìn)行了堿處理改性和硅烷偶聯(lián)劑改性，比較了這2種改性方式對(duì)復(fù)合材料性能的影響。圖11展示了不同BF改性方式的BF／PLA復(fù)合材料的力學(xué)性能：其中（A）為拉伸強(qiáng)度；（B）為彎曲強(qiáng)度；（C）為沖擊強(qiáng)度。從圖中可以看出，這兩種改性方式都在不同程度上的增強(qiáng)了材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。其中竹粉的硅烷偶聯(lián)劑改性對(duì)該材料的各項(xiàng)力學(xué)性能增強(qiáng)效果更好。竹粉經(jīng)過(guò)堿處理后該材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到了13.21 MPa、20.12 MPa和10.11 kJ·m－2，相較于竹粉未作改性處理的復(fù)合材料，各項(xiàng)力學(xué)性能分別提高了23%、22%和24%。竹粉經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑改性后該材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到了15.32 MPa、22.14 MPa和11.26 kJ·m－2，相較于竹粉未作改性處理的復(fù)合材料，各項(xiàng)力學(xué)性能分別提高了43%、35%和38%。未作改性處理的竹粉表面極性較強(qiáng)，和非極性的聚乳酸不相容，因此竹粉／聚乳酸復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能較差。而竹粉經(jīng)過(guò)堿處理和硅烷偶聯(lián)劑改性后極性降低，竹粉與聚乳酸之間相容度有所提高，表現(xiàn)為復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的增強(qiáng)。

圖11 不同BF改性方式的BF／PLA復(fù)合材料的力學(xué)性能（A）為拉伸強(qiáng)度；（B）為彎曲強(qiáng)度；（C）為沖擊強(qiáng)度Fig.11 Mechanical properties of BF／PLA composites with different BF modification methods（A）tensile strength；（B）bending strength；（C）impact strength

2.2.4 微觀形貌 圖12展示了不同BF改性方式的BF／PLA復(fù)合材料的SEM照。從（A）中可以明顯看到未經(jīng)改性處理的竹粉與聚乳酸基體之間存在有大量的縫隙，并且竹粉出現(xiàn)了堆疊團(tuán)聚的現(xiàn)象，斷面十分不平整，較多的竹粉裸露在外以及竹粉脫落后留下的孔洞，竹粉和聚乳酸基體的結(jié)合度不佳，因此在力學(xué)性能測(cè)試時(shí)的表現(xiàn)較差。從（B）（C）中可以明顯觀察到經(jīng)過(guò)堿處理改性的竹粉和經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑改性的竹粉與聚乳酸基體之間的的縫隙肉眼可見(jiàn)的減少，并且沒(méi)有出現(xiàn)竹粉堆疊團(tuán)聚的現(xiàn)象，斷面規(guī)整度較好，改性后的竹粉和聚乳酸基體的結(jié)合較為緊密，對(duì)比（B）和（C）可以觀察出，對(duì)竹粉的硅烷偶聯(lián)劑改性對(duì)于提高竹粉和聚乳酸基體的相容性的效果更為顯著。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)?，堿處理雖然能夠很好的去除竹粉的一些極性組成成分，保留纖維素，增加纖維的表面粗糙度，使得竹粉與聚乳酸基體的接觸面積增加［19］，竹粉與聚乳酸基體之間的界面相容性得到改善，但是并未形成竹粉與聚乳酸之間的化學(xué)鍵鏈接。而偶聯(lián)劑經(jīng)過(guò)水解生成的硅醇可以與竹粉表面的羥基反應(yīng)，并且其環(huán)氧官能團(tuán)可以與聚乳酸鏈的端羥基、羧基反應(yīng)，在竹粉與聚乳酸基體之間起到橋梁架接的作用［20－22］，因此竹粉與聚乳酸之間的界面相容性得到了較高的提升。

圖12 不同BF改性方式的BF／PLA復(fù)合材料的SEM 照（A）為未改性；（B）為堿處理改性；（C）硅烷偶聯(lián)劑改性Fig.12 SEM photos of BF／PLA composites with different BF modification methods（A）unmodified；（B）alkali treatment modification；（C）silane coupling agent modification

2.2.5 吸水率圖13展示了不同改性方式處理竹粉的復(fù)合材料的吸水率。從圖中可以看出，相較于竹粉未作改性處理的復(fù)合材料的吸水率，對(duì)竹粉的堿處理和硅烷偶聯(lián)劑改性，都在不同程度上的降低了復(fù)合材料的吸水率，復(fù)合材料的耐水性能增強(qiáng)。其中竹粉的硅烷偶聯(lián)劑改性對(duì)復(fù)合材料整體吸水率的降低更為明顯，耐水性能增強(qiáng)更多。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)閷?duì)竹粉的堿處理和硅烷偶聯(lián)劑改性都在不同程度上的改善了竹粉與聚乳酸基體界面相容性，結(jié)合更為緊密，因此材料內(nèi)部的縫隙減少，吸水率降低。但是堿處理后的竹粉其纖維素的比例也相應(yīng)的提高，而纖維素是竹粉吸水的主要因素，因此使得復(fù)合材料的吸水率降低幅度不明顯。

圖13 不同改性方式處理竹粉的復(fù)合材料吸水率Fig.13 Water absorption rate of composite materials treated with bamboo powder by different modification methods

3 結(jié)論

（1）隨著竹粉含量的增加，BF／PLA復(fù)合材料加工的平衡扭矩逐漸變大，加工流變性變差，在竹粉含量為20%～30%時(shí)，平衡扭矩上升幅度較低，仍具有較好的加工流變性，當(dāng)竹粉含量上升到50% ～60%時(shí)，物料的平衡轉(zhuǎn)矩大大增加，此時(shí)物料的加工流變性大幅度降低，不利于物料的成型加工。

（2）隨著竹粉含量的增加，BF／PLA復(fù)合材料的結(jié)晶度明顯下降，過(guò)量的竹粉含量阻礙了聚乳酸的結(jié)晶。竹粉經(jīng)過(guò)堿處理后，復(fù)合材料的結(jié)晶度上升，而竹粉經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑改性后，復(fù)合材料的結(jié)晶度下降。

（3）隨著竹粉含量的增加，BF／PLA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先逐步上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)竹粉含量為50%時(shí)，復(fù)合材料達(dá)到了最大的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，分別為11.5 MPa和17.3 MPa。而沖擊強(qiáng)度則隨著竹粉含量的增加呈下降趨勢(shì)，吸水率逐漸增大。

（4）對(duì)竹粉的堿處理和偶聯(lián)劑改性均能改善竹粉和聚乳酸基體的界面相容性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，降低復(fù)合材料的吸水率。其中偶聯(lián)劑改性對(duì)復(fù)合材料的性能改善更為明顯，經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑改性的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度相較于未改性的復(fù)合材料，分別提高了43%、35%和38%。