端羟基超支化聚酯和偶联剂对秸秆（SF）/聚乳酸（PLA）复合材料性能的影响

对环境问题和可持续性发展的关注、石化资源的消耗以及传统石化塑料造成的污染，引起了人们对开发环境友好型天然聚合物和复合材料的重视。以植物纤维和生物塑料为原料制备的生物复合材料不断发展，它们在包装、家具、汽车装饰材料等领域具有应用前景。聚乳酸（PLA）是一种重要的可持续性生物降解聚合物，它是由玉米和小麦等农业原料制备的。其原材料易于获得，且是可持续性的。与其他生物可降解聚合物相比，PLA具有优异的力学性能和热塑性塑料的易加工性。它是一种独特的环境友好的天然生物聚合物。但由于成本高，该聚合物在商业上并未广泛应用。解决该问题的一个方法是在 PLA 中添加低成本组分，如天然纤维、淀粉和矿物质等。这不仅能降低成本，而且还能提高其力学性能或功能。长期以来，因其可持续性、易于获取和较好的机械强度，天然纤维一直是增强聚合物材料的热门选择。天然纤维包括稻草、大麻、亚麻等。

秸秆是来源丰富的主要农业废弃物之一，是小麦、水稻、玉米、土豆、油菜、棉花、甘蔗等作物成熟后的秸秆和叶片的总称。虽然目前中国的秸秆利用率已达到80%，但秸秆作为工业原料的比例相对较低，附加值较低。秸秆的原始形态使用较少，但仍有许多应用，如造纸、纤维板、生物质燃料、手工艺品和生物质碳等。秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。但这些组分的亲水官能团（-OH）与 PLA 的相互作用力较弱，不会促进粘附，从而减少了力分散并削弱了复合材料的机械性能。此外，高亲水性的秸秆增加了吸水率，在纤维周围产生空隙，进一步降低了纤维与基质之间的结合强度。为了获得与 PLA更好的界面性能，必须调整秸秆纤维表面的化学性质。

纤维表面改性是一种相对常用的改善纤维与聚合物基体相容性的方法。提高植物纤维与聚合物基体之间相容性和附着力的方法包括：偶联剂、酶处理、纳米材料涂层等。物理方法有蒸煮、爆破、粉碎等对秸秆进行细化，以改变秸秆纤维的形态和表面活性，但这些方法往往需要大型设备或消耗大量能量。超支化聚合物是一种高度支化的大分子，具有许多分支点和大量的活性端基，如环氧化物、胺和羟基。

安徽工程大学徐珍珍教授等人采用具有丰富的端羟基的超支化聚合物（HPN）对秸秆塑料复合材料进行改性。作者研究了 HPN 浓度对秸秆纤维增强聚乳酸（SF/PLA）的影响。他们采用硅烷偶联剂（CA）改善 SF、HPN 与 PLA 基体的界面相容性，对不同 SF/ PLA 复合材料的力学强度、热性能和耐水性进行了测试和分析。结果发现，当 HPN 的浓度为 6%时，HPN-SF/PLA 具有最佳的机械强度指标。HPN 改性、CA 改性及二者结合对提高材料的力学性能有积极作用。与 UN-SF/PLA相比，HPN CA-SF/PLA 复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度分别提高了 24.7%、16.6%和 10.8%。用 HPN、CA 及其组合处理 SF/PLA，其结晶度分别从 28%提高到29.4%、36.9%、42.3%。但 HPN 的低熔点导致 SF/PLA 的 Tg、Tm、Tc、Td5%和Tdmax 降低。这些特征温度可以通过添加用于共改性的 CA 来提高。此外，由于 SF表面羟基数量减少和界面结合性能增强，三种改性方法都能够提高 SF/ PLA 复合材料的耐水性。

图. 端羟基的超支化聚合物HNP 处理及 HNP/CA 共处理工艺

文献来源：Fangtao Ruan, Qingyong Yang, Chenguang Kan, Hao Wu, Lihua Zou, Qiaole Hu, Guofeng Wang, Li Yang and Zhenzhen Xu*. Influence of Hydroxyl-Terminated Hyperbranched Polymer and Coupling Agent on the Performance of SF/PLA Composites, Journal of Natural Fibers, 2023, 20:2, 2251683.