烟秆粉和咖啡壳粉对木塑复合材料性能的影响.pdf

2024,44(1):157-165.引文格式：民邸亚森，汤正捷，苏艳炜，.烟秆粉和咖啡壳粉对木塑复合材料性能的影响.西南林业大学学报（自然科学）DOI:10.1192u.202211077Jan.2024JOURNALOF SOUTHWESTFORESTRYUNIVERSITY2024年1月Vol.44No.1南西报大学学业第1期第44卷林烟秆粉和咖啡壳粉对木塑复合材料性能的影响邸亚森汤正捷1苏艳炜！李晓平1杨国印2吴章康1（1.西南林业大学材料与化学工程学院，云南昆明6 50 2 33；2.昆明驼行新材料有限责任公司，云南昆明6 50 2 33）摘要：为探讨烟秆粉和咖啡壳粉代替桉木粉生产木塑复合材料的可行性，采用范式法分析比较烟秆粉、咖啡壳粉和桉木粉的化学成分，以烟秆粉、咖啡壳粉及桉木粉为增强相与高密度聚乙烯（H D PE）熔融共混，采用两步挤出成型法制备了不同木质纤维原料及配比的木塑复合材料。通过测试不同木塑复合材料的物理力学性能、动态热力学性能（DMA）、氧化诱导时间（OIT）和氧化诱导温度（OIT*），观察不同木塑复合材料的微观形貌和官能团，分析不同木质纤维原料及配比对木塑复合材料性能的影响。结果表明：综纤维素含量由高到低依次为桉木粉、烟秆粉、咖啡壳粉，木质素含量由低到高依次为桉木粉、烟秆粉、咖啡壳粉；桉木粉/HDPE复合材料（TSO）的综合性能优于烟秆粉/HDPE复合材料（TS100）和咖啡壳粉/HDPE复合材料（CS100）。在混合纤维原料木塑复合材料中，随着按木粉用量的减少，木塑复合材料的集中载荷、弹性模量、静曲强度和冲击强度先增加后降低，OIT和OIT*降低，2 0%烟秆粉8 0%桉木粉/HDPE复合材料（TS20）的综合性能最佳，其集中载荷和冲击强度比TS100分别提高2 7.5%和2 2.5%，OIT和OIT*分别增加9.9 min和10.7。关键词：烟秆；咖啡壳；木塑复合材料；力学性能；热分析中图分类号：V254.1文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-19 14(2 0 2 4)0 1-0 157-0 9Effects of Tobacco Stalk Powder and Coffee Shell Powder onProperties of Wood-plastic CompositesDi Yasen,Tang Zhengjie,Su Yanwei,Li Xiaoping,Yang Guoyin,Wu Zhangkang(1.College of Materials and Chemical Engineering,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650233,China;2.Kunming Tuohang New Materials Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650233,China)Abstract:In order to explore the feasibility of tobacco stalk powder and coffee shell powder instead of euca-lyptus wood powder in the production of wood-plastic composites(WPC),the chemical compositions of tobaccostalk powder,coffee shell powder and eucalyptus wood powder were analyzed and compared by the method ofVan Soest.The tobacco stalk powder,coffee shell powder and eucalyptus wood powder were used as reinforce-ment phases,and HDPE was used as matrix.WPC with different lignocellulosic materials and ratios were pre-pared by two-step extrusion molding method.By testing the physical and mechanical properties,DMA,OIT andOIT*of WPC,and observing the micromorphology and functional groups of WPC,the effects of different ligno-cellulosic materials and their ratios on the properties of WPC were analyzed.The results showed that the contents收稿日期：2 0 2 2-11-2 7；修回日期：2 0 2 3-0 2-2 5基金项目：国家自然科学基金面上项目（318 7 0 551）资助；西南林业大学预研基金项目（0 110 8/18 2 10 132）资助。第1作者：邸亚森（19 9 4一），男，硕士研究生。研究方向：木质复合材料。Email:。通信作者：吴章康（19 6 7 一），男，博士，教授，博士生导师。研究方向：木质复合材料。Email:。158西南林业大学学报第44卷of polycellulose from high to low were eucalyptus wood powder,tobacco stalk powder and coffee shell powder,while the contents of lignin from low to high were eucalyptus wood powder,tobacco stem powder and coffee shellpowder.The comprehensive performance of eucalyptus powder/HDPE composite(TSO)was better than that of to-bacco stalk powder/HDPE composite(TS100)and coffee shell powder/HDPE composite(CS100).The elasticmodulus,static flexural strength,concentrated load,and impact strength of WPC increased first and then de-creased with the decrease of eucalyptus powder content,and the OIT and OIT*decreased.The comprehensiveperformance of 20%tobacco stalk powder and 80%eucalyptus powder/HDPE composite(TS20)was the best.Compared with the TS100,the concentrated load and impact strength of the composite were increased by 27.5%and 22.5%,respectively,and the OIT and OIT*were increased by 9.9 min and 10.7,r e s p e c t i v e l y.Key words:tobacco stalk;coffee shell;wood-plastic composite;mechanical property;thermal analysis木塑复合材料（WPC）是以农林加工剩余物植物纤维与聚乙烯、聚丙烯等废旧回收塑料加工成型制成的一种新型绿色可循环的复合材料，因兼具木材和塑料双重性能，被广泛应用于家具、护栏、地板、花箱、装饰材料等2 。作为WPC的增强相，不同木质纤维原料对WPC的热稳定性、蠕变及物理力学等性能有较大的影响3。姜良朋等4 以桉木（Eucalyptus spp.）、杨木（Populus spp.）、竹（Bambusoideae）粉和稻（O r y z a s a t i v a）壳分别与高密度聚乙烯熔融共混制备WPC，结果表明，以桉木粉填充高密度聚乙烯的WPC综合力学性能最优；徐开蒙等5 以尾巨桉（Eucalyptusgrandisurophylla）、白千层（M e l a l e u c a c a j u p u t i）、芘麻（Ricinus com-munis）秆、杉木（Cunninghamialanceolata）、枫香（Liquidambar formosana）、马尾松（Pinusmassoniana）6 种植物纤维为增强相制备WPC，发现杉木制备的WPC力学性能最佳；Guo等6 研究了杨木粉、杉木粉和稻壳对WPC热降解温度和结晶度的影响，发现杨木粉/HDPE复合材料的热降解温度和结晶度最高；Ratanawilai等7 以橡胶（Hevea spp.）和油棕榈（Elaeisguineensis）果皮纤维为增强相制备WPC，研究结果表明橡胶木制备的WPC具有较好的力学性能和热稳定性；朱碧华等8 以榛子（Corylusheterophylla）壳、椰（Co c o s n u c i f e r a）壳、稻壳3种植物纤维作为增强相制备WPC，研究发现纤维素含量最高的稻壳纤维制备的WPC具有较好的力学性能。不同塑料、相容剂、改性剂、成型方式等9-12 对WPC性能也有影响，目前WPC生产加工技术相对成熟，但依然存在界面相容性、阻燃性、耐老化、抗菌性及成本高等13-17 问题。云南省是咖啡（Coffeacongensis）和烟草（Ni c o t i a n a t a b a c u m）的主要产地，咖啡种植面积占我国咖啡种植面积的9 8%，烟草种植面积占我国烟草种植面积的44.5%，但咖啡壳和烟秆副产物除少数作肥料、木炭燃烧及吸附剂使用外，其余多被掩埋和焚烧，既污染环境又浪费资源18-2 1。因此，本研究以桉木粉、烟秆粉和咖啡壳粉为原料与高密度聚乙烯（HDPE）及加工助剂熔融共混制备WPC，对比研究烟秆粉和咖啡壳粉对WPC的物理力学性能和热分析等的影响，以期为烟秆粉和咖啡壳粉应用于WPC的生产提供数据参考。1材料与方法1.1试验材料及设备按木粉（8 0 10 0 目，含水率3%）购自湛江市湛林木业厂，烟秆粉（8 0 10 0 目，含水率3%）购自普洱市思茅区康和木制品厂，咖啡壳粉（8 0 10 0 目，含水率3%）购自普洱市思茅区康和木制品厂，HDPE由昆明驼行新材料有限责任公司提供，加工助剂均为市售SHR-1000L混料机（无锡市林瑞粉体机械有限公司，中国）；SJZ92/188双螺杆混炼挤出造粒机（南京国塑挤出装备有限公司，中国）；WDW-10万能力学试验机（济南捷德机械设备有限公司，中国）；JBM-100简支梁冲击试验机（济南时代山峰仪器有限公司，中国）；QUANTA200电子显微镜（上海永科光学仪器有限公司，中国）；DMA242C动态热力学分析仪（耐驰公司，德国）；8 40 0 S傅里叶变换红外光谱仪（岛津有限公司，日本）；DSC214Polyma差示扫描量热仪（耐驰公司，德国）。1.2试样制备本试验在昆明驼行新材料有限责任公司生产159第1期邸亚森等：烟秆粉和咖啡壳粉对木塑复合材料性能的影响线上进行，按照木质纤维原料：HDPE及助剂（质量比）为6 0：40 进行混料，采用双螺杆造粒和成型的挤出方式制备WPC，其中木质纤维原料按照表1和表2 百分比称取，表1烟秆粉与木粉比例Table 1The ratio of tobacco stalk powder and eucalyptuswood powder组别烟秆粉/%按木粉/%TSO0100TS202080TS404060TS606040TS808020TS1001000表2咖啡壳粉与按木粉比例Table 2The ratio of coffee shell powder andeucalyptus wood powder组别咖啡壳粉/%按木粉/%CSO0100CS202080CS404060CS606040CS808020CS10010001.3成分分析及性能测试1.3.1化学成分分析采用VanSoest（范式法）2 2 方法测定桉木粉、烟秆粉、咖啡壳粉3种木质纤维原料中纤维素、半纤维素、木质素及灰分的含量，分析对比桉木粉、烟杆粉和咖啡壳粉的主要化学成分差异。1.3.2力学性能、吸水性能测试按照GB/T17657202223测试试样的集中载荷、静曲强度、弹性模量、冲击强度、2 4h吸水率和吸水厚度膨胀率等。1.3.3扫描电镜（SEM）分析将试样的冲击断面截取合适尺寸，断面喷金后，利用电子显微镜观察其断面形貌1.3.4动态热机械性能(DMA测试WPC动态热机械性能在频率为1Hz，振幅为2 0 m，跨距为40 mm的3点弯曲模式下测试，测试温度范围为30 12 0。1.3.5红外光谱（FTIR）分析将WPC试样打碎为粉末，取少量WPC粉末和干燥后的溴化钾混合均匀，压制成薄片进行FTIR扫描测试，波数范围40 0 0 40 0 cm，分辨率为4cm=l，扫描次数32 次。1.3.6氧化诱导时间（OIT）和氧化诱导温度（OIT*）测试氧化诱导时间和氧化诱导温度按照行业标准LY/T 2881201724 进行测试。2结果与分析2.1按木粉、烟秆粉和咖啡壳粉的化学成分由表3可知，3种木质纤维原料中纤维素含量由大到小依次是桉木粉、烟秆粉和咖啡壳粉。纤维素作为细胞壁的骨架物质，是纤维力学表现的主要来源。半纤维素是植物纤维中的粘接物质，容易粘接在纤维素表面一起构成综纤维素2 5,综纤维素含量从高到低的顺序为桉木粉、烟秆粉和咖啡壳粉。木质素含量由低到高依次为桉木粉、烟秆粉、咖啡壳粉。咖啡壳粉木质素含量高，木质素赋予纤维较强的刚性，这也是咖啡壳比较硬的原因2 6 。灰分含量由低到高依次是桉木粉、烟秆粉、咖啡壳粉，灰分中主要成分为SiO2，会影响材料胶合程度2 7 。表333种木质纤维原料化学成分比较Table 3Comparison of chemical components of3 lignocellulosic raw materials木质纤维纤维素/%半纤维素/%木质素/%灰分/%木粉41.225.528.91.1烟秆粉38.123.829.63.5咖啡壳粉34.222.532.85.02.2力学性能2.2.1烟秆粉/HDPE复合材料力学性能由图1可知，WPC的集中载荷、冲击强度、弹性模量、静曲强度等均随烟秆粉用量的增加先增大后减小，其中2 0%烟秆粉8 0%桉木粉/HDPE复合材料（TS20）的力学性能最好，其集中载荷、弹性模量、静曲强度和冲击强度比桉木粉/HDPE复合材料（TS0）分别提高2 7.5%、16.1%、27.2%和2 2.5%。烟秆粉WPC的力学性能均达到GB/T24137200928标准，且弹性模量远高于标准要求的18 0 0 MPa。160西南林业大学学报第44卷11004.6004.400100042009004000800工3800020406080100020406080100烟秆粉/%烟秆粉/%ab44422040E/甲媒(2.)/381836341632020406080100020406080100烟秆粉/%烟秆粉/%Cd图1烟秆粉WPC力学性能Fig.1Mechanical properties of tobacco stalk powder WPC由表3可知，烟秆粉中纤维素的含量比桉木粉中纤维素的含量低。在木质纤维中，纤维素为骨架，纤维素含量越高，纤维的强度越高。此外，纤维素是由葡萄糖基通过-1,4糖苷键联接而成的链状高分子，分子表面较平整，有利于形成分子内和分子间的氢键，也可能与其他分子形成氢键2 9 。因此，纤维素含量越高，越有利于提高木质纤维原料与HDPE基体之间的结合强度。按木粉、烟秆粉的形态不同，桉木粉纤维较长，烟秆粉纤维较短，二者混合填充HDPE时，可能具有协同效应，增加了木质纤维原料与HDPE基体的结合强度，WPC的力学性能得到提升。2.2.2咖啡壳粉/HDPE复合材料力学性能由图2 可知，WPC的集中载荷、弹性模量、静曲强度和冲击强度等均随咖啡壳粉用量的增加先增大后减小，其中2 0%咖啡壳粉8 0%桉木粉/HDPE复合材料（CS20）的力学性能最佳，其集中载荷、弹性模量、静曲强度和冲击强度比咖啡壳粉/HDPE复合材料（CS100）分别提高37.3%、18.0%、2 7.0%和2 7.0%。咖啡壳粉WPC的力学性能均满足GB/T24137200928要求，且弹性模量远高于标准要求的18 0 0 MPa。由表3可知，咖啡壳粉纤维素含量最低，不利于提高咖啡壳粉与HDPE间的结合强度。咖啡壳粉又含有较多的灰分，不利于WPC的结合性能。因此，TSO的力学性能优于CS100。按木粉、咖啡壳粉的形态不一样，桉木粉纤维较长，咖啡壳粉纤维较短，二者可能具有协同效应，使材料的综合力学性能提高，因此CS20的力学性能最佳。161第1期邸亚森等：烟秆粉和咖啡壳粉对木塑复合材料性能的影响110044001000王420090040008003.800工工7003600020406080100020406080100咖啡壳粉/%咖啡壳粉/%ab204240工(/工183836163432工工14020406080100020406080100咖啡壳粉/%咖啡壳粉/%Cd图2#咖啡壳粉WPC力学性能Fig.2Mechanical properties of tobacco stalk powder WPC2.3吸水及动态热机械性能2.3.1吸水性能由图3ab可知，随着烟秆粉和咖啡壳粉用量的增加，WPC的2 4h吸水率和吸水厚度膨胀率均呈先降后升再降的变化趋势。WPC的吸水率和吸水厚度膨胀率与其填充纤维相关30 。植物纤维中羟基数量会影响材料的吸水性，综纤维素的含量越高，羟基的数量越多，吸水性就越强31。在桉木粉、烟秆粉和咖啡壳粉3种植物纤维中，桉木粉综纤维素含量最高，故桉木粉纤维表面羟基数量多，TSO24h吸水率和吸水厚度膨胀率最大。咖啡壳粉木质素含量高，综纤维素含量少，故纤维表面的羟基数量相对较少，从而CS10024h吸水率和吸水厚度膨胀率较小。而TS20和CS20的2 4h吸水率和吸水厚度膨胀率较低，可能是此比例下混合纤维与HDPE的相容性较好。24h吸水率和吸水厚度膨胀率最高的TS0的2 4h吸水率和吸水厚度膨胀率分别为0.9 6%和0.46%，满足GB/T24137200928标准规定的2 4h吸水率 1.0%和吸水厚度膨胀率10min，O IT*2 0 0,就可以保证木塑制品的长期使用38-39 。本试验中，所有试样OIT远大于10 min，O I T 远高于200。2厂放3TS100放CS100热TS80热CS80(.su.Mw)osaTS60(_su.Mw)/osaCS602TS40CS40TS20CS20TSO22.3min27.3minCSo21.2min26.9min127.3mini7.0min21.9min24.9min20.8 min26.9min016.5min24.7 min0-1-10102030405001020304050时间/min时间/mina.烟秆粉WPC氧化诱导时间b.咖啡壳粉WPC氧化诱导时间1515TS100CS100TS80CS80TS60(su.Mw)/osaCS60(,3u.Mw)/os10TS4010CS40TS20252.6261.1 CS20TSoCSo251.35254.05250.5.256.9250.0251.1257.6261.1 246.9.246.200-5-5050100150200250300050100150200250300温度/温度/c.烟秆粉WPC氧化诱导温度d.咖啡壳粉WPC氧化诱导温度图7WPC氧化诱导时间和氧化诱导温度Fig.7OITandOIT*ofWPC164西南林业大学学报第44卷3结论与讨论烟秆粉和咖啡壳粉的主要化学成分差异很小，烟秆粉和咖啡壳粉可以代替桉木粉作为增强相。纤维素含量由高到低依次为桉木粉、烟秆粉和咖啡壳粉。桉木粉中纤维素含量最高，纤维素赋予纤维较好的力学性能，TSO的综合力学性能优于TS100和CS100，这与陈冬梅等40 的研究结果一致。王敏等2 7 研究发现一OH含量越多的复合材料吸水性越强，本研究中桉木粉纤维一OH含量最多，TSO的2 4h吸水率和吸水厚度膨胀率最高，分别为0.9 6%和0.46%。TS0的OIT比TS100和CS100长10.3min和10.8 min，O I T*比TS100和CS100高14.2 和14.9。植物纤维的混杂增强聚合物复合材料是近几年复合材料研究的新领域，混杂增强在充分利用植物纤维的基础上，可以降低材料自身的生产成本，而且还可以发挥两种或多种植物纤维的协同效应。在本研究中，随着桉木粉用量的减少，WPC的弹性模量、静曲强度、集中载荷和冲击强度等先增加后减少，当烟秆粉（咖啡壳粉）和桉木粉占比为木质纤维原料的2 0%和8 0%时，WPC的综合力学性能最佳。邹玉41 研究发现剑麻（A g a v e s i s a l a n a）秸秆纤维混杂增强聚氯乙烯复合材料的力学性能优于单一纤维增强聚氯乙烯复合材料的力学性能。随着绿色环保理念的日益深人，WPC作为极具发展潜力和发展前景的绿色环保材料，几乎可以取代木制品，并在经过特殊处理后，可应用于其他重要领域，这为WPC提供了广阔的市场前景和应用空间，也为我国解决资源浪费和污染问题提供了一个新的思路。本研究为烟秆粉和咖啡壳粉制备WPC提供了数据参考，TS20的综合性能优于TSO，T SO 的综合性能优于TS100和CS100。WPC界面相容性是WPC研究的热门问题，下一步将探索改性剂对不同木质纤维增强WPC性能的影响。参考文献1高华，黄海兵，吕蕾，等.木塑复合材料的关键原材料概况.林业机械与木工设备，2 0 15,43(6)：11-13.2肖瑞，李晓平，吴章康.短纤维增强型聚丙烯基复合材料的性能研究.西部林业科学，2 0 15,44(2):152-156.3邵笑，何春霞，姜彩昀.木质纤维/PVC复合材料的蠕变和热稳定性.材料科学与工程学报,2 0 19,37(6):991-995.4姜良朋，何春霞，王磊，等.四种植物纤维/高密度聚乙烯木塑复合材料耐海水腐蚀性能比较.复合材料学报,2 0 19,36(7):16 2 5-16 32.5徐开蒙，陈太安，吴章康，等.不同木质纤维原料对PVC木塑复合材料力学性能的影响J.西南林业大学学报,2 0 15,35(5):8 8-9 1.6Guo Y,Zhu S L,Chen Y X,et al.Thermal propertiesof wood-plastic composites with different composi-tions J.Materials(Basel,Switzerland),2019,12(6):881.7Ratanawilai T,Nakawirot K,Deachsrijan A,et al.In-fluence of wood species and particle size on mechanic-al and thermal properties of wood polypropylene com-positesJ.Fibersand Polymers,2014,15(10):2160-2168.8朱碧华，何春霞，石峰，等.三种壳类植物纤维/聚氯乙烯复合材料性能比较.复合材料学报,2 0 17,34(2)：291-297.9Lopez Y M,Goncalves F G,Benigno Paes J,et al.Comparative study of different technological processeson the physical-mechanical properties and flammabil-ity of wood plastic composite.Journal of BuildingEngineering,2022,52:104391.10Sohn J S,Cha S W.Effect of chemical modification onmechanical properties of wood-plastic composite injec-tion-molded parts 9.Polymers,2018,10(12):1391.11刘镇波，李晓君，于云鹏，等.木粉与相容剂含量对木塑复合材料声学振动性能的影响.森林工程，2022,38(5):62-67.12余旺旺，刘芹，杨晨，等.不同塑料基木塑复合材料的性能对比研究.塑料工业,2 0 2 0,48(6):12 1-12 5.13Elsheikh A H,Panchal H,Shanmugan S,et al.Recentprogresses in wood-plastic composites:pre-processingtreatments,manufacturing techniques,recyclability andeco-friendly assessment.Cleaner Engineering andTechnology,2022,8:100450.14Raj S 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