摘 要：采用熔融共混的方法，將黃麻纖維、淀粉以及增塑劑甘油混合，然后使用平板硫化儀制備出具有一定形狀的復合材料樣品，并對復合材料進行力學性能測試以及實際煙支抽吸模擬測試分析。實驗結果表明：①隨甘油添加量增加，復合材料加工性能提升，35%添加量下，甘油在基材中分布均勻，各項指標最優(yōu)；②黃麻纖維可以支撐起整個復合材料，使其在受熱后不易軟化坍塌，但黃麻纖維破壞了基材的連續(xù)性與結構完整性，降低了甘油/淀粉復合材料的熱穩(wěn)定性；③在300℃以下，甘油/淀粉材料不產生有毒有害氣體，具有較好熱安全性能，黃麻纖維/甘油/淀粉復合材料在200℃以下未見有害氣體生成；④經改性后淀粉基復合材料在經過加熱后不發(fā)生軟化坍塌，表面顏色稍有變化，添加黃麻纖維可減小甘油淀粉復合材料熱膨脹。
關鍵詞：淀粉；黃麻纖維；生物可降解材料；熱穩(wěn)定性；TG-FTIR
隨著經濟文化水平的提升，越來越多的人更加注重身體健康，新型煙草制品應運而生[1-3]。顆粒型加熱卷煙是新型煙草制品的重要形式之一。如何將煙草顆粒封裝在煙支中，在加熱與抽吸過程中不產生掉落與吸入是煙支生產的一個關鍵工藝技術問題。
用于阻隔煙草顆粒的固件材料是顆粒型加熱卷煙的重要組成部分之一。目前主要將耐高溫塑料固件作為中間段阻隔材料，但塑料制品是不可降解材料，使用后丟棄在環(huán)境中不易降解，對環(huán)境造成污染。使用生物質材料不僅可以起到促進可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境的作用，而且原料價格低廉，制備工藝成熟。因此，開發(fā)新型生物基熱安全阻隔固件材料是顆粒型加熱卷煙領域亟須解決的問題。與增塑劑甘油混合在一起，然后使用平板硫化儀熱壓制備出具有一定形狀的復合材料樣品。探究不同甘油添加量對復合材料加工性能以及黃麻纖維對復合材料熱穩(wěn)定性的影響，為開發(fā)生物基安全阻隔固件提供指導。
1 材料與方法
1.1 材料和儀器
淀粉（購自當?shù)厥袌觯?；甘油（純?/font>99.5%，濟南浩然化工科技有限公司）；黃麻纖維（安徽洪燊新材料科技有限公司）；NaOH（國藥集團化學試劑有限公司）；去離子水（實驗室自制）。轉矩流變儀（XSS-300，上海科創(chuàng)橡塑機械設備有限公司）；平板硫化儀（MZ-3012，江蘇明珠試驗機械有限公司）；電腦拉力試驗機（YF-900，揚州市源峰檢測設備有限公司）；擺錘式沖擊試驗機[ZBC1400-A，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司]；熱重分析儀（Q5000IR，TAInstrumentsInc.，美國）；差示掃描量熱儀（DSC8500，PerkinElmer，美國）；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet6700，美國）；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（HitachiSU8200，日本）。
1.2 淀粉基復合材料制備
將黃麻纖維剪切成小段，使用15%的NaOH溶液浸泡6h，以除去纖維中的雜質和果膠，隨后用去離子水清洗并烘干備用。按照表1中各配方組成，將淀粉與一定比例甘油/黃麻纖維混合均勻，使用轉矩流變儀進行熔融加工成型，加工溫度為120℃，轉速為20r/min。再使用平板硫化儀制備出具有一定形狀的樣品進行測試。
1.3 復合材料測試表征
1.3.1 力學性能測試
拉伸測試在萬能電子拉力機上測試。試樣樣條寬10mm，厚1mm，拉伸速度2mm/min。
沖擊測試在擺錘式沖擊試驗機上測試。試樣尺寸為80mm×10mm×3mm，沖擊能量為4J。
復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊強度是通過實驗試樣的平均值獲得。每個條件下取5個樣品，取平均值。
1.3.2 熱重分析（TG）和微分熱重分析（DTG）
將樣品放在熱分析儀的爐子內，從室溫開始升溫至800℃，升溫速率10℃/min。
1.3.3 差示掃描量熱測試（DSC）
使用差示掃描量熱儀，氮氣氛圍下，升降0℃/min，溫度60~200℃。溫速率1
1.3.4 熱重紅外聯(lián)用（TG-FTIR）
將樣品放在熱分析儀的爐子中，同時連接傅里葉變換紅外光譜儀，記錄樣品產生的氣體的FTIR光譜。從室溫開始升溫至800℃，升溫速率20℃/min。
1.3.5 掃描電子顯微鏡（SEM）
將材料置于液氮中充分冷凍，再將淬斷后的復合材料樣品進行噴金處理，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察斷面微觀形貌。
2 結果與討論
2.1 甘油含量對復合材料加工性能的影響
當甘油添加量為15%和25%時，由于甘油添加量較少，復合材料在熔融再加工過程中較為困難，樣品顏色偏黃、表面不平整并且質地硬而脆，不適合再進行二次加工。而隨著甘油添加量的增加，樣品的硬度逐漸下降，添加45%甘油時，經再加工后樣品表面平整，但是由于甘油添加量過高，甘油在材料表面析出，并且使得材料表面發(fā)黏，影響后續(xù)成型。當甘油添加量為35%時，材料表面較為平整，表面干爽，具有較好加工性，該甘油添加量樣品記為對照樣。
2.2 黃麻纖維/淀粉復合材料力學性能
未添加黃麻纖維時，對照樣韌性好，沖擊強度較高，為37.36kJ/m2
。在拉伸測試中，抗拉強度為3.73MPa，斷裂伸長率為29.75%。添加了10%黃麻纖維后，樣品的抗沖擊強度降低；添加30%黃麻纖維，樣品仍可以保持較好的力學性能，沖擊強度為21.38kJ/m2，在拉伸測試中，抗拉強度為2.87MPa，斷裂伸長率為23.05%。進一步提高至50%時，韌性
降低，主要是由于基材的連續(xù)性被破壞，在外力沖擊下易于產生裂紋而發(fā)生斷裂。因此，黃麻纖維的添加量不宜過高。
添加甘油的淀粉基材料（3號樣品）斷面相對平整，甘油在基材中分布均勻。加入30%黃麻纖維后，材料斷面凹凸不平，有纖維狀物質分布在斷面，且與基體的相容性較好。
2.3 復合材料熱性能
35%甘油含量的樣品在180℃附近有一個小吸熱峰，可能是部分材料在180℃附近受熱熔融導致的。而加入30%黃麻纖維后，180℃附近的吸熱峰消失了，證明材料加入黃麻纖維后，受熱后不容易發(fā)生熔融，這可能與黃麻纖維的結構有關，可以支撐起整個材料，使其在受熱后不容易發(fā)生軟化坍塌。
甘油/淀粉復合材料主要熱分解過程發(fā)生在250~350℃附近，主要是復合材料中甘油的進一步揮發(fā)以及淀粉材料熱分解所致。加入黃麻纖維后，復合材料起始熱失重溫度提前，主要熱失重過程為200~350℃，其在800℃下殘?zhí)苛吭龃螅⑶覐腄TG曲線中也可以看出，說明黃麻纖維的加入降低了淀粉基材料的熱穩(wěn)定性，可能是高比例的黃麻纖維破壞了淀粉基材的結構連續(xù)性。
甘油/淀粉材料在室溫~300℃加熱條件下，紅外曲線圖未見新增峰出現(xiàn)，主要是（2100~2400）cm-1附近的CO2特征吸收峰以及（3520~3790）cm-1處水、甘油等羥基類化合物特征吸收峰，370℃時，曲線新增2100cm-1、1720cm-1、1060cm-1等特征吸收峰，對應于CO、含羰基的芳香族化合物，證明材料發(fā)生較為劇烈的熱裂解。添加黃麻纖維后，復合材料熱穩(wěn)定性降低，紅外曲線顯示300℃時已有大量有害氣體產生，這與熱重曲線變化趨勢相吻合。說明黃麻纖維的添加降低了甘油/淀粉復合材料在高溫下的熱穩(wěn)定性。
2.4 復合材料實際應用測試
兩種淀粉基生物可降解復合材料在加熱過程中未出現(xiàn)受熱融化。但是甘油/淀粉基復合材料在200℃以上時，會發(fā)生一定的熱膨脹，樣品尺寸會略微增加。而對于添加30%黃麻纖維的復合材料，受熱過程中的熱膨脹現(xiàn)象得到了較好的抑制，說明黃麻纖維的添加可提高復合材料的熱加工性，在實際使用過程中可以較好地控制固件尺寸。
3 結論
添加甘油有利于提高復合材料加工性能提高，但甘油添加量過高會使材料表面黏性增大，影響后續(xù)應用；添加黃麻纖維后復合材料熱穩(wěn)定性降低，起始熱失重溫度降低，CO、羰基芳香族化合物熱釋放提前，但可減小材料受熱后的膨脹。
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文章摘自：張勁，張偉杰，曹蕓等.黃麻纖維改性淀粉基生物可降解材料的制備及應用[J].化工設計通訊，2023，49(04)：61-63.
