生物质秸秆/聚乳酸材料的制备及成型研究进展

 　　摘要：生物质秸秆/聚乳酸复合材料这一新材料作为资源循环的研究热点，具有机械性能、生物可降解性以及化学稳定性等优点，被广泛研究。本文通过分析生物质秸秆/聚乳酸复合材料的制备及成型加工方法，研究了其在成型制备过程中的工艺参数，并对复合材料现状进行分析。

　　关键词：生物质秸秆;聚乳酸;成型方法;3D打印;模压成型

　　中图分类号：TB33;TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 (2021) 06-0038-05

　　《山东科学》是山东省科学院主办的自然科学综合性学术期刊，面向高校、科研单位和企业的广大科技工作者，力求及时报道自然科学各个主要领域在基础理论和应用研究方面具有创新性和高水平的、有重要意义的最新科研成果，现为中国科技核心期刊，是山东省最具知名度的学术期刊之一。

　　Progress in Preparation and Molding of Biomass Straw/ Polylactic Acid Composites

　　DING Shi-juan， ZHU Xi-shi， CHEN Hui-rong， PEI Pei(Changsha normal University， Changsha 410000， China)

　　Abstract： As a research hotspot of resource cycle， biomass straw/polylactic acid composite has the advantages of mechanical properties， biodegradability and chemical stability， so it has been widely studied. In this paper， the preparation and processing methods of biomass straw/polylactic acid composites were analyzed， the process parameters in the molding process were studied， and the current situation of the composites was analyzed.

　　Key words： biomass straw; polylactic acid; molding method; 3D printing; molding

　　1 背景介绍

　　过去的十年中，每年大约产生1400万吨传统塑料包装废物，其中只有160万吨通过回收利用，其余的最终被送往垃圾填埋场，回收率仅有11.4%[1]。因此，开发具备节约能源、保护生态环境、可回收利用等特性的生态型包装材料，具有重要且紧迫的现实意义。

　　我国是农业大国，每年可生产生物质秸秆10.9亿多吨[2]，产量大但利用率低，且大部分生物质秸秆未得到良好的处理。生物质秸秆材料来源广、资源丰富，被认为是目前具备发展前景的生物质能源之一。因此，合理利用生物质秸秆是节能减排、提升资源经济价值最主要的途径之一。

　　聚乳酸是目前3D打印材料最常用材料，是具有良好力学性能、加工制造性能、生物相容性的热塑性可降解材料[3]。然而其主要缺陷是成本高，难以普遍化、产量化使用。为此，利用大量产生的秸秆生物质原料复合“绿色高分子材料”聚乳酸，既能降低成本，又能保护环境;既能废物利用，又能为绿色制造技术提供生态型原材料。

　　成型方法对于高分子材料的性能与使用效能有重要作用。目前，对于生物质秸秆/聚乳酸复合材料的成型方法主要集中在热压成型、挤出成型、模压成型、注塑成型、3D打印成型等，本文主要综述了目前生物质秸秆/聚乳酸复合材料制备过程中常见的成型方法，以及各研究者在制备过程中的工艺参数设置。

　　2 成型方法综述

　　2.1 热压成型

　　熱压成型是指在加热的模具中注入物料，以压力作用将模型固定于加热板中，通过控制温度使得物料熔融、硬化、冷却，最终脱模成型[4]。热压成型所得产品内在质量高，精度高，物料粒径与晶型保存度高。其不足之处在于所需模具数量多，且使用寿命短[5]。

　　左迎峰[6]等人采用热压成型工艺制备了不同碱处理浓度、温度、时间下的竹/聚乳酸复合材料，热压工艺参数设置为热压温度160℃、压力10MPa、热压时间20min，热压模具为200×120×5mm3。吴蕴忱[7]等人将杨木纤维/聚乳酸复合材料颗粒均匀放入热压机，在不加压的条件下对原料进行预热，预热温度180℃，预热时间3min;在180℃、2.5MPa的条件下对原料预压3min，然后对原料继续加压至10MPa并保持3min，最后将熔融状态的板材迅速取出并放入冷压机冷压成型。胡建鹏[8]等采用热压法制备了木纤维/木质素磺酸铵/聚乳酸复合材料，在热压温度170℃、热压压力6MPa的条件下，通过响应面优化设计获得材料最佳成型工艺。结果表明，PLA添加量33%、MIL添加量25%、热压时间7.5min下，复合材料静曲强度、内结合强度最佳。

　　2.2 挤出成型

　　挤出成型工艺是指塑料聚合物通过挤出机输料口，经过旋转螺杆的输料段、压缩段、均化段后，物料熔融均化物通过挤出机口模挤出，在冷却水作用下，形成具有一定尺寸的塑料制品[9]。

 

　　Shanshan Lv[10]等人通过熔融共混成型探究了马来酸酐接枝木粉/聚乳酸复合材料的力学性能。采用双螺杆挤出机对木粉/聚乳酸混合物体系进行样品造粒，工艺参数为：螺杆直径：21.7mm，加工长度40D，螺杆转速100 rpm，温度设置：135℃、150℃、170℃、170℃、135℃。将混合物颗粒送入单螺杆挤出机挤样，螺杆直径20mm，加工长度20D，温度设置为150℃、170℃、170℃。陆文君[11]等人为探究EVA、EBS对木粉/聚乳酸复合材料的性能影响，使用双螺杆挤出机进行共混造粒，在使用单螺杆挤出机挤出直径为1.75±0.05mm的3D打印线材。其中双螺杆挤出机参数设置为130℃-175℃，单螺杆挤出机温度参数设置为180℃/190℃/195℃/190℃。王洪艳[12]等人将共混后的混合料用双螺杆挤出机造粒，机筒温度170～180℃，机头温度165℃，主机转速约11rmb，喂料转速约15rmb。

　　2.3 注塑成型

　　注塑成型指的是用高压将熔融塑化的物料注入模腔中，经保压固化及冷却后，得到的具有一定质量与精细度的塑料制品。该成型方法生产速度快，效率高，适合形状复杂的制品。

　　冼霖[13]等人在注射温度为185℃、185℃、190℃，注射压力为55MPa，注射时间10s的条件下注射成型哑铃型改性刨花板木粉/聚乳酸复合材料，刨花板木粉含量为20%时，复合材料力学强度最佳。葛正浩[14]等人为探究甘油、DOP、PBS以及杨木粉含量对复合材料影响，采用单因素实验法，将物料在高速混炼机在120℃，1500r/min参数下共混15min，后在注射机锁模，保压时间12s，温度控制170℃、170℃、165℃下进行注射成型。司丹鸽[15]采用正交试验法研究了注塑成型工艺中注射温度、注射压力、注射速度对秸秆粉/复合材料密度、力学性能的影响。结果表明，最佳注塑成型工艺条件为注射温度为178℃，注射压力为50bar，注射速度为45%。

　　2.4 3D打印成型

　　3D打印机以粉末状金属或塑料等可粘合材料为耗材，在计算机的控制下，采用逐层打印的方式形成实体模型[16]。其简化了产品制造中的工艺流程，使工业生产制造走向精细化、速度化。

 

　　羅通通[17]等人通过3D打印成型制备了杨木粉/ PBAT/PLA复合材料，其参数设置为：打印温度为190℃、打印速率为40mm/s、底板温度为50℃、壳厚为0.6mm打印制得标准拉伸样件。王莹[18]等人采用熔融挤出和3D打印的方法制备了PLA/木粉3D打印复合材料，并研究了甘油用量对复合材料性能的影响。其中3D打印成型参数设置为：打印机喷头温度设为230℃，层高0.2mm。毕永豹[19]等人采用正交试验设计的方法，通过麦秸秆/聚乳酸复合材料的力学性能进行测试，其中3D打印成型的填充密度为100%，层厚为0.2 mm，打印速度为20 mm/s，打印温度为230℃。

　　2.5 模压成型

　　模压成型是指将一定量的初混合物料加入溢式、不溢式或半溢式对模内，经加热、加压、保压固化，得到具有三维交联体型结构的塑料制品的一种方法。模压成型的特点有：第一，温度是模压成型全过程的决定性因素，影响物料的流动性、机械性能与交联固化反应等。第二，压力在成型中起到加速流动、增强制品密度等作用。第三，物料的体积会因为所受压力与温度的影响而发生变化，此时需要保压补塑以确保模具内物料充满整个模腔。

 

　　葛正浩[22]等人通过控制平板硫化机的加热温度、模压压力、保压时间等3个工艺参数，采用正交试验法研究了上述因素对秸秆粉/聚乳酸复合材料发泡效果与力学性能的影响。结果表明，平板硫化机加热温度为178℃，模压压力为7MPa，保压时间为25s时，发泡效果最佳，力学性能最优。王春红[23]等人探究了不同工艺参数下的模压成型工艺对汉麻杆粉/聚乳酸复合材料力学性能影响。结果表明，最优模压工艺为加热温度160℃，加压压力7.5MPa，热压时间5min，在此条件下，复合材料拉伸强度为34.93MPa，弯曲强度为77.39MPa。王妮[24]采用正交试验法探究了模压成型工艺中加热温度、加压压力、热压时间等工艺参数对麻杆粉/聚乳酸木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度及其模量的影响，结果表明，加热温度为160℃，加压压力为7.5MPa，热压时间为5min的条件下，复合材料综合力学性能最佳。

　　3 存在问题及解决方案

　　生物可降解材料是目前资源循环的研究热点之一，符合十四五规划纲要中的重点发展方向，其在经济性、性能以及制备成型上都受到相应的应用壁垒。

　　3.1 经济性

　　目前，许多研究者将生物质秸秆材料与聚乳酸材料复合，试图通过二者价格差异互补使得生物可降解材料得到更为广泛应用。然而，目前大部分研究中显示，在力学性能最佳的基础上可得，生物质秸秆材料与占复合材料的总比例的10%-20%左右。此含量范围的秸秆粉并不能在大程度上对复合材料经济性进行改善，因此对于加大秸秆粉含量，同时要保证复合材料性能，需要做出更进一步的研究。

　　3.2 性能

　　与纯聚乳酸相比较而言，生物质秸秆/聚乳酸复合材料在力学性能方面提升幅度不大。因为生物质秸秆材料与聚乳酸材料在机械力下成型，两相界面相容性差，难以实现性能的提升。因此，对于复合材料的改性与加工显得尤为重要。

　　3.3 成型加工

 

　　根据研究，目前生物质秸秆/聚乳酸复合材料的成型制备主要以3D打印成型、挤出成型、模压成型为主。然而，模压成型所成型的复合材料制品表面粗糙，且秸秆含量过多的复合材料易脆。3D打印成型为目前较为热门的研究方向，较多研究学者主要集中在复合材料的改性与加工方向，但复合材料线材在打印成型过程中易出现因参数设置不妥而导致秸秆粉末堵塞挤出口等现象。成型方法及其工艺参数是材料制备过程中必不可少的重要一环，影响复合材料的附加性质。

　　4 展望

　　大部分生物可降解材料，如聚乳酸、聚羟基烷酸酯、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯等，价格昂贵，工业化生产较为困难。而我国秸秆资源十分丰富，价格低廉。秸秆与生物可降解材料进行加工成型的方法有很多。在众多成型方法中，3D打印成型方法为复合材料成型与加工的研究热点，而3D打印用生物质秸秆/聚乳酸复合材料的研究应着重提高生物质秸秆含量、界面相容性及其力学性能。若将秸秆材料与聚乳酸等材料复合，在经济性、性能、成型上采取相应措施，则对生物可降解复合材料的经济性与使用性的应用问题具有重要意义。

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