木质素 聚乳酸 EVA热塑性复合材料的研究

Material Sciences 材料科学, 2020, 10(6), 486-494

Published Online June 2020 in Hans. /journal/ms

https:///10.12677/ms.2020.106059

Study of Thermoplastic Composites

Consisting of Lignin/PLA/EVA

Ruihan Hou, Tingting Feng, Dexi Tang, Zhifeng Cao, Shouhang Wang, Zhijun Zhang*

Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology (Ministry of Education), Northeast Forestry

University, Harbin Heilongjiang

Received: Jun. 1st, 2020; accepted: Jun. 15th, 2020; published: Jun. 22nd, 2020

Abstract

With the gradual enhancement of people’s environmental awareness, the utilization of lignin as a by-product of the papermaking and bioethanol industry is imperative. In this paper, a series of lignin-based thermoplastic composite materials were prepared by using polylactic acid as the ma-trix, lignin as the reinforcement, and a certain amount of EVA as a plasticizer through melt blend-ing and injection molding methods. A series of methods including infrared spectrum, scanning electron microscope, TG-DSC, mechanical test and rheological test were used to characterize their structures and performances. The results showed that, no obvious chemical reactions occurred among the components of the composites; addition of lignin reduced the thermal stability of the composite material to a certain extent; the bending strengthes of the composites decreased with the increase of the lignin content, due to the rigidity of lignin. While the composite’s lexural modulus increased with the lignin content; addition of EVA can improve the dispersion and compatibility of lignin in the composite material, and enhance the adhesion of the two phases.

This study provides theoretical and experimental basis for the preparation of high content lignin composite.

Keywords

Lignin, PLA, EVA, Compatibility, Thermoplasticity

木质素/聚乳酸/EVA热塑性复合材料的研究

侯瑞菡，冯婷婷，唐德羲，曹志锋，王首航，张志军*

东北林业大学，生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨

收稿日期：2020年6月1日；录用日期：2020年6月15日；发布日期：2020年6月22日

*通讯作者。

侯瑞菡 等

摘

要

随着人们环保意识的逐渐增强，作为造纸及生物乙醇工业副产物的木质素的资源化利用势在必行。本文以聚乳酸为基体，木质素为增强体，一定量的EVA 作为增塑剂，通过熔融共混，注塑成型，制得了一系列木质素基热塑性复合材料。利用红外测试、扫描电镜测试、TG-DSC 测试、力学测试、流变测试一系列方法对其结构及性能进行了表征。结果表明：复合材料组分之间没有明显的化学反应。木质素的加入在一定程度上降低了复合材料的热稳定性；随木质素含量的增加弯曲强度降低，由于木质素属于刚性材料，木质素含量多时弯曲模量有所增加；乙烯–醋酸乙烯共聚物(EVA)的加入可以提高木质素在复合材料中的分散性和相容性，使两相的粘合力增强。这项研究对高含量木质素复合材料的制备提供一定的理论及实验基础。

关键词

木质素，聚乳酸，EVA ，相容性，热塑性

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1. 引言

木质素作为自然界中含量仅次于纤维素的第二大绿色高分子材料，具有良好的阻燃性能以及光、热稳定性[1]，但大多数木质素没有被运用在工业生产中。随着环保意识的增强，将天然高分子材料填充到合成高分子材料当中，可以赋予或提高材料的降解性能，也可以很大程度上降低材料的价格[2]。

聚乳酸是绿色无污染的环保型高分子，具有易加工性、高强度、可降解的优点，但也由于价格昂贵、脆性大、热变形温度低等限制了它的广泛应用。将木质素和聚乳酸进行混合有望得到绿色无污染的全降解材料。

木质素有很强的分子内氢键连接而且具有复杂的网状结构，导致木质素和聚乳酸界面相容性差，只能部分相容[3]。乙烯–醋酸乙烯酯共聚物(EVA)有极性的醋酸酯基团，可以与木质素进行相互作用，也可以有效增韧聚乳酸，且乙酸乙烯酯(VA)含量较高的EVA 与木质素的相容性更好[4]，利用少量高含量VE 的EVA 探究EVA 对于木质素和聚乳酸之间相容性的影响。

目前对于木质素填充到复合材料中的研究中木质素的填充量低于20%，无法达到很高的利用价值，本文将低含量到高含量的木质素/聚乳酸/EVA ，通过熔融共混，注塑成型得到一系列木质素基热塑性复合材料，利用红外测试、示差扫描量热(DSC)测试、力学测试、电镜测试、流变测试一系列方法研究当木质素含量增加到40%时与低含量木质素对复合材料的性能影响和以及添加EVA 后对材料的影响。

2. 实验部分

2.1. 仪器及原料

仪器：Polylab OS 转矩流变仪(赛默飞世尔科技中国有限公司)、HAAKE 微量注射成型仪(美国Thermo Fisher 公司)、Nicolette 6700傅立叶红外光谱分析仪(制造厂商Nicolette)、AR2000ex 旋转流变仪(美国TA