隨著不可降解的石油基聚合物材料在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，環(huán)境負(fù)擔(dān)日益加重，生物可降解復(fù)合材料的發(fā)展已成為人們極感興趣的課題。生物基復(fù)合材料通常具有可持續(xù)性和生物可降解性，這類材料可以減少人們對(duì)石油資源的依賴。
聚乳酸及天然纖維素特點(diǎn)
作為一種可堆肥降解的聚合物，PLA可由玉米、馬鈴薯、甜菜等農(nóng)作物原料發(fā)酵而成，具有良好的熱塑性、力學(xué)性能、阻隔性能、透明度并且易于加工。PLA產(chǎn)品使用后直接堆肥將完全降解為CO2和H2O（如下圖所示），符合可持續(xù)發(fā)展的要求，可用作包裝材料，其纖維還被用于制造一次性用品、汽車、服裝、電子產(chǎn)品和醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備等。美國(guó)食品藥物管理局（FDA）認(rèn)證PLA為安全材料。
聚乳酸合成，循環(huán)及降解示意圖
雖然PLA有足夠的物理性能來滿足許多應(yīng)用，但它在彎曲、沖擊和熱穩(wěn)定性方面存在明顯不足，加上聚乳酸樹脂相對(duì)較高的成本，使其無法被更廣泛地使用。在不降低環(huán)境效益的前提下，開發(fā)天然纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料是解決PLA性能和成本問題的可行方法。
天然纖維在加工過程中具有較好的靈活性、高固化性、易接近性、可生物降解性、低成本和生態(tài)友好性等諸多優(yōu)點(diǎn)，常見的天然纖維有黃麻、亞麻、紅麻、大麻、苧麻、劍麻、菠蘿、棉花、木棉、椰子、竹子、象草等，部分分類如下圖所示。大部分的天然纖維都是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蠟質(zhì)和幾種水溶性纖維組成的。
天然纖維固有的極性導(dǎo)致纖維難以均勻分散，它的親水性和聚合物基體的疏水性導(dǎo)致界面黏合性差，令復(fù)合界面處形成空隙，進(jìn)而使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。因此，研究天然纖維復(fù)合材料的一個(gè)方向是通過處理纖維表面來改善纖維與基體之間的相互作用。
目前的制備方法主要為注塑成型、壓縮成型、擠出成型等。
天然纖維/聚乳酸復(fù)合材料的性能
2.1力學(xué)性能
2.1.1彎曲性能
天然纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的彎曲性能與界面相容性相關(guān)，彎曲性能主要包括彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。常用彎曲試驗(yàn)來評(píng)定彎曲性能，有三點(diǎn)加載和四點(diǎn)加載2種方式。
純PLA的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別約為87MPa和3.30GPa，彎曲強(qiáng)度高于常見的烯烴類塑料聚氯乙烯（PVC，＜50MPa）、聚丙烯（PP，＜50MPa）和高密度聚乙烯（HDPE，25～40MPa），低于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET,200MPa）。在PLA中摻入某些天然纖維可提高彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，表1分別列舉了不同纖維對(duì)PLA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。復(fù)合纖維材料中高力學(xué)性能的纖維可以起支撐作用，纖維與基體材料之間相互作用較大，增強(qiáng)相與基體之間的界面作用能夠更好地提供力學(xué)性能。
表1聚乳酸復(fù)合材料的各項(xiàng)性能
對(duì)纖維進(jìn)行表面改性是提高彎曲性能的一個(gè)重要途徑，其中用堿和硅烷處理植物纖維是增強(qiáng)PLA最常用的化學(xué)處理方法。同種復(fù)合材料不同的纖維取向和加工條件也會(huì)對(duì)材料的彎曲性能產(chǎn)生影響。
2.1.2抗沖擊性能
抗沖擊強(qiáng)度是材料在突加載荷下抵抗斷裂的能力，通常用擺錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試，分為無缺口和有缺口2種。無缺口抗沖擊強(qiáng)度指無缺口試樣在沖擊載荷作用下，破壞時(shí)所吸收的沖擊能量與試樣的原始橫截面積之比，單位為kJ/m2；缺口抗沖擊試樣抗沖擊強(qiáng)度以缺口試樣破斷時(shí)單位寬度所消耗的能量來衡量，單位為J/m。復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度受纖維、基體、界面等多種因素的影響。
由于天然纖維的親水性和聚乳酸基體的疏水性，導(dǎo)致復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度較差，復(fù)合材料脫黏耗散能量較小，復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度主要與纖維和基體的斷裂有關(guān)。沖擊強(qiáng)度還與復(fù)合材料的韌性有關(guān)，這取決于纖維、聚合物和它們的界面黏合力。
2.1.3拉伸性能
拉伸性能反映復(fù)合材料的受力抵抗效果，提供有關(guān)彈性模量、彈性極限、伸長(zhǎng)率、比例極限、面積縮小率、抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度等拉伸特性的信息。天然纖維與PLA復(fù)合時(shí)，一般情況下復(fù)合材料的性能取決于增強(qiáng)相，即天然纖維的種類對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度有根本影響。
天然纖維與PLA基體的比例對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能也有影響。從形態(tài)結(jié)構(gòu)的角度看，生物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度在的低纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%～10%）時(shí)受纖維空洞和拔出的影響較大，在的高纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（20%～30%）時(shí)受纖維團(tuán)聚的影響較大。
PLA基體與纖維之間的界面黏合影響復(fù)合材料的拉伸性能。對(duì)纖維進(jìn)行表面處理或者添加偶聯(lián)劑能夠改善纖維-基質(zhì)的黏合力。適量的MAH-g-PLA相容劑可以在PLA/木纖維復(fù)合材料中產(chǎn)生較好的“耦合效應(yīng)”。
2.2耐熱性能
聚乳酸（PLA）的熔點(diǎn)為180℃左右，當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，就會(huì)明顯發(fā)生熱降解。PLA的熱變形溫度（HDT）只有55～60℃，然而目前市面上使用的包裝材料要求其能承受住100℃左右的溫度，因此極大地限制了PLA的使用。
提高PLA耐熱性能的方法主要有提高PLA結(jié)晶速率和結(jié)晶度，以及對(duì)PLA進(jìn)行退火處理等。PLA在其玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）附近具有很高的遷移率，因此表現(xiàn)出很低的耐熱性。成核劑的加入可以提高PLA的結(jié)晶度，增加結(jié)晶和剛性無定形部分，這會(huì)阻礙聚乳酸的鏈遷移率，從而使其能夠抵抗熱引起的扭曲，從而提高耐熱性。
天然植物纖維的加入，可以起到成核劑的作用，提高結(jié)晶速率和結(jié)晶度，從而提高了PLA的耐熱性。加入成核劑和進(jìn)行退火處理都可以改善PLA的結(jié)晶度和耐熱性。工業(yè)中常常對(duì)PLA采用退火處理的方法來改善其結(jié)晶性能，從而提高PLA產(chǎn)品的耐熱性能。
再者，通過對(duì)纖維進(jìn)行表面處理的方法同樣可以提高PLA的耐熱性。聚乳酸在331.8℃時(shí)開始分解，在374.9℃時(shí)分解完成，而堿處理的苧麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的分解始于345.1℃，在391.0℃左右達(dá)到終點(diǎn)。純聚乳酸的分解溫度低于堿和硅烷處理的復(fù)合材料的分解溫度，主要是因?yàn)楸砻嫣幚砣コ似r麻表面的污垢和相關(guān)雜質(zhì)，這些雜質(zhì)往往會(huì)降低耐熱性。
2.3降解性能
PLA的結(jié)構(gòu)中含有易水解酯鍵，這使得PLA制品具有良好的降解性能，被棄后能迅速降解，最終產(chǎn)物為二氧化碳和水，不會(huì)污染環(huán)境。
天然植物纖維也為可降解材料，具有吸濕性、親水性，能加速聚乳酸降解。復(fù)合材料的降解性能與天然植物纖維表面改性的方法、增溶劑的選擇等條件有關(guān)，也與材料形狀、分子量大小、聚合結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境（溫濕度、pH值、氧、微生物、酶）等有關(guān)。在相同條件下，復(fù)合材料的降解性能都要優(yōu)于純PLA的。在混合微生物群受控的土壤堆肥條件下，復(fù)合材料容易在潮濕、溫暖、好氧的環(huán)境中加速降解。
結(jié)語(yǔ)
聚乳酸基纖維復(fù)合材料未來發(fā)展趨勢(shì)可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：
降低生產(chǎn)成本以獲得更廣泛的認(rèn)可，市場(chǎng)需求增加、生物復(fù)合材料大量生產(chǎn)以及廉價(jià)生物聚合物的不斷開發(fā)，預(yù)計(jì)成本可能會(huì)降低； 研究應(yīng)考察具有不同類型、比例和形態(tài)的天然纖維用于多功能應(yīng)用的PLA基復(fù)合材料的制備和改進(jìn)；
由于天然纖維的復(fù)雜性和多樣性，應(yīng)該建立一個(gè)關(guān)于纖維和生物復(fù)合材料的數(shù)據(jù)庫(kù)； 纖維改性技術(shù)，如用堿、硅烷、偶聯(lián)劑等進(jìn)行表面處理，可以改善纖維的表面性能和纖維/基體界面，從而研制出更好的生物復(fù)合材料，以滿足各種要求。
