IND4原創丨有機塑料(Bioplastic)- 農業廢料可代替木材用於塑料...

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作為農作物廢料的小麥秸稈，通過一定的處理，可以作為複合材料的環保可持續型填充料使用，其性能等於或優於木-塑複合材料。

木材是千百年來在建築、 工具、 家具、 紙張產業，作為一種天然的纖維基複合材料廣泛應用。近年來，木-塑複合材料 （WPCs）作為木材的替代品而出現，主要用於戶外的甲板。 WPCs中的木材通常來自木材加工業的廢料。WPCs行業不斷地尋找創新的木質纖維替代材料。因為天然木材開採對環境的影響越來越備受關注。農業廢物（如，小麥秸稈）是一種高度可用的可再生木質纖維素的纖維。這種資源可持續，也比廢木料便宜多了。

然而，天然纖維具有親水性的化學性質，常見的合成聚合物是疏水性的，兩者化學性能的差異讓兩者不相容。此外，木質纖維的主要構成，纖維素分子，之間的氫鍵阻礙了纖維分散至聚合物分子矩陣中，從而影響最終的材料性能。為了克服這些問題，纖維素纖維必須經過預處理和表面改性，改善其分散和其與聚合物基體的相容性。

因此，來自以色列的兩位專家研究了兩步法來解決這些問題。 首先，他們使用「蒸汽閃爆」法來打碎小麥秸稈的纖維素。通過環保的蒸汽閃爆法，從纖維分離出半纖維素和木質素，同時也讓纖維非纖維化，增加他們的長寬比和表面積。接著，他們用矽烷化合物（或者十六烷基三甲氧基矽烷（HDS）、AEAPS）對纖維的表面進行化學改性。他們對用小麥秸稈纖維增強的PP複合材料的熱機械性能進行了測試，並與木-塑複合材料進行比較。目標是為木-塑行業找到可持續性的木材替代材料。

因此，他們對比研究了四種類型的小麥秸稈纖維（見表 1）。用全反射紅外光譜法 (ATR-IR)對纖維表面進行化學改性。然後，使用雙混合擠出機生產PP和這些纖維材料的複合材料，並且同時生產一PP 和商業木塵的複合材料做對比用。然而，未經處理的小麥秸稈纖維和PP的複合材料，因為嚴重的熱降解使其不具備可加工性。這些複合材料的組分都是80（PP）比20（纖維）。用於注塑模具製作成標準樣品用於測試它們的熱機械性能。在這裡列出拉伸、 彎曲、衝擊和流變試驗的結果。

簡寫說明：

WF - 未經處理的小麥秸稈纖維

SF - 蒸汽閃爆法處理的小麥秸稈纖維

HF - HDS化學改性的小麥秸稈纖維

AF - AEAPS化學改性的小麥秸稈纖維

ATR-IR紅外光譜結果證實了小麥秸稈纖維如預期的被改性了（見圖1）。蒸汽閃爆法減少了秸稈中木質素和半纖維素的數量，因而增加了纖維素的含量。

圖 1。

四種類型的小麥秸稈纖維通過全反射紅外光譜法 (ATR-IR) 獲得的衰減光譜 （見表 1 ）。光譜證實了改性的小麥秸稈纖維的化學特性。

這些複合材料的力學性能匯總在圖2。PP的剛度（楊氏模量）都被提高了，木粉增強提升了44%（相比於純PP），小麥秸稈纖維增強提升了48% （以SF樣品為例）。通過AF增強的PP獲得了最好的提升，達到了57%。所有複合材料的彎曲模量也被改善了（與純PP相比，提升了20%至50%）。衝擊強度提升最大的是HF增強的複合材料（達到51%)。能量吸收的機制- 纖維/基體界面分開脫離可能影響到這種增韌效果。

圖 2。

木塵 (WD) 或小麥秸稈纖維增強後，聚丙烯 (PP)的機械性能均顯著提高。PP/x的組分比列：80/20。

通過平行板流變儀測定的220 ° C流變結果見圖3。木粉降低了材料的共混物粘度，因為粉末粒子具有低的縱橫比。相反，因為纖維/纖維、纖維/基體的相互作用，所有三種類型的小麥秸稈纖維使得共混物粘度增加了。在低剪切速率下（圖中的較低頻率），這種趨勢越來越大。在高剪切速率，纖維的影響減小了，基體對粘度的影響增加了。

圖3

220 ° C 平行板流變儀測定材料的共混物粘度 （η#）。PP材料中加入小麥秸稈纖維增加了低剪切率 （較低的頻率）下的共混物粘度。相比之下，添加木粉，黏度下降。

總之，他們研究了作為農業廢料的小麥秸稈纖維經過蒸汽閃爆、化學改性後填充到PP後增強效果。小麥的生長周期短，使得它比木粉更加環保，更具可持續性。改性的秸稈纖維是一種具有成本效益的材料，能有效減少二氧化碳排放。在PP中加20%的經過化學改性秸稈能顯著提高其熱機械性能，尤其是衝擊強度和楊氏模量。比加20%的木粉的效果相當或者會更好。這項研究的下一步將是改變秸稈纖維與PP和其他聚合物混合的含量，來測定其對熱機械性能的影響。終極目標是將這些複合材料應用到各種領域。

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