渣酯化澱粉改性木薯渣可優化PBS複合材料阻燃性能

近年來，利用天然植物纖維材料和可生物降解的脂肪族聚酯製備環保型複合材料受到越來越多的關注。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一種可生物降解的脂肪族聚酯，與其他可降解材料如聚乳酸，聚己酸內酯相比，PBS具有良好的熱穩定性和可加工性。作為澱粉工業的一種副產品，木薯渣經常作為生物質廢物或廉價草料的來源，這在經濟上是低效的。

陝西科技大學岳小鵬老師通過配合PBS和木薯渣製備可降解的木塑複合材料（WPC），WPC可以有效降低生物降解聚合物的成本，提高其綜合性能，減輕石油危機的威脅。然而，天然纖維和PBS都是易燃的。因此，考慮到應用領域的目的和安全性，有必要製備阻燃PBS基WPC。

研究者首先使用辛醯氯與澱粉發生酯化反應製備ES，反應式如圖1所示。並且使用Andre和 Bert方法測定ES中的醯基含量，然後將1%比重的ES溶於DMSO溶液中，所得溶液噴洒在未處理的木薯渣上，並混合均勻，並置於50℃烘箱中蒸發出所以溶劑。IFR根據m（APP）：m（MA）=5:1質量比配置，按不同的配方製備阻燃聚丁二酸丁二醇酯（PBS）/木薯渣纖維複合材料。

圖1. 辛醯氯與澱粉酯化反應式

圖2是對複合材料進行機械性能測試的數據，結果表明，與純PBS相比，阻燃聚丁二酸丁二醇酯（PBS）/木薯渣纖維複合材料的拉伸強度降低，彎曲強度和衝擊強度增加。隨著IFR載入量的增加，阻燃WPC的拉伸強度，彎曲強度和衝擊強度呈現先增後減的趨勢。

圖2.複合材料機械性能數據

從圖3可以看出，木薯渣纖維表面粗糙，在纖維表面可以觀察到一些裂紋。這可能是由澱粉提取過程造成的。如圖3所示，經ES處理的木薯渣表面較光滑，表面的裂紋消失。圖3中，在70PBS / 30IFR的橫截面上可以觀察到IFR和基體之間具有較大尺度的孔。部分極性IFR組分從PBS基質中倒出，表明纖維和基質之間的界面結合力弱。

圖3.複合材料的SEM圖像。（a）木薯纖維；（b）5%ES處理後的木薯纖維；（c）70PBS/30IFR;（d）65PBS/30IFR/5Cas;（e）70PBS/30Cas;（f）70PBS/ 25IFR/5Cas

從圖4列出的純PBS和阻燃PBS複合材料的LOI和UL-94分析數據可以看出。可見（75PBS / 20IFR / 5Cas，70PBS / 25IFR / 5Cas，65PBS / 30IFR / 5Cas）隨著阻燃負載的增加，複合材料的LOI和UL-94增加。當IFR載入量為25重量％時，LOI值增加至37.3％。同時，當IFR載入量超過25wt％時，可以達到複合材料的UL-94 V0級別，並且可以達到LOI的阻燃等級（≥32％）。

圖4.複合材料UL-94和LOI的測試結果

PBS是一種具有優異熱穩定性的聚合物。初始分解溫度（T 5wt％）為374.3℃，最大熱分解溫度（T max）為415.5℃。加入木薯渣或IFR降低了複合材料的初始分解溫度。這可能是由於IFR和木薯渣的吸收較高。此外，70PBS/30IFR的初始熱解溫度高於70PBS/25IFR/5Cas和70PBS/30Cas。這歸因於APP在IFR中的穩定性比木薯纖維高。

當5wt％的IFR被木薯渣代替時，70PBS/25IFR/5Cas顯示出高於70PBS/ 30IFR的T max。可以推斷木薯與IFR之間存在一種協同效應，導致T max的推遲。

圖5.複合材料的熱重分析曲線

本篇文章用ES處理增強基體與纖維之間的相容性和纖維在基體中的分散性，提高了阻燃WPC的力學性能。適當比例的IFR和ES改性木薯渣可以優化的複合材料的阻燃性能和機械性能。

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