稻草基淀粉环保复合材料的制备及性能研究

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摘要：开发基于农作物秸秆的复合材料是提高农副产品附加值，变废为宝，节约资源，保护环境的重要途径。采用热压方法制备淀粉/上段稻草粉末复合材料，研究了淀粉用量、热压温度、热压时间对复合材料拉伸、弯曲、硬度性能的影响。淀粉用量为40%，热压温度130 ℃，热压时间10 min，拉伸强度可达到5.19 MPa。

关键词：复合材料；秸秆；稻草；淀粉

中图分类号：TQ317.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）04-0903-03

Study on the Preparation and Performance of the Environmentally Friendly Composite Material of Rice Straw Powder and Starch

WU Chuan-bao，WANG Yu-feng，SUN Ping，ZENG Xiang-hui

（College of Chemistry and Environmental Engineering， Jiujiang University， Jiujiang 332005，Jiangxi， China）

Abstract： Developing agricultural straw composite is an important way of increasing value of farm sideline products， which changes waste material into things of value， saves resource and protectes environment. The composite of upper straw powder and starch was prepared through hot pressing. The effects of starch dosage， pressing temperature and pressing time on the tensile properties， bending properties and hardness performance of composite were studied. The tensile strength reaches 5.19 MPa when the content of starch dosage was 40% and hot pressing was carried out at 130 ℃ for 10 min.

Key words： composite； straw； rice straw； starch

中国是水稻种植大国，每年收获稻谷的同时，产生了大量稻草。当前，相当一部分稻草在田间被烧掉，既污染了环境，又浪费了资源。如果将稻草进行资源化利用[1-5]，则将起到缓解能源及资源短缺，减轻污染，减少温室气体排放的作用。本试验对淀粉/上段稻草粉末复合材料的热压制备进行了研究，探讨了热压温度、热压时间、原料配比对材料拉伸、弯曲及硬度性能的影响，现将结果报告如下。

1 试验部分

1.1 试验原料及设备

干稻草（九江市），淀粉（山东恒仁工贸有限公司），水（自来水）。MZ-2000D.D1型电脑控制万能材料试验机、LX-A型橡塑邵尔A硬度计、MZ-3012平板硫化机（均出产于江都市明珠试验机械厂）。

1.2 淀粉/上段稻草粉末复合材料的制备

将稻草从中间截断，取上段，剪为1.5 cm的小段，然后在搅拌混料机中剪切制备粉末，过20目筛，取筛下物即得稻草上段粉末。取一定质量的稻草上段粉末，加10 mL自来水，搅拌，使稻草表面被水均匀润湿，然后加入一定质量的淀粉，使总质量为30 g，搅匀。将混合料装入不锈钢模具（125 mm×125 mm×2 mm），以二甲基硅油为脱模剂，在一定温度下，以13 MPa压力热压一定时间，冷却至室温后脱模，测量性能。

1.3 性能测试

以试样中心为中心，标取边长为4 cm的正方形，分别测量四个顶点的硬度。将试样裁为3.5 cm宽的样条，在万能材料试验机上使用相同的夹具，测量拉伸性能及弯曲性能，测量拉伸性能时上夹具上行，测量弯曲性能时上夹具下行，拉伸与弯曲速度为5 mm/min。

2 结果与讨论

固定热压温度140 ℃，热压时间10 min，改变淀粉与稻草上段粉末的质量比，制备了一系列淀粉/上段稻草粉末复合材料，材料的拉伸性能、硬度及弯曲性能如图1～4所示。由图1可见，随淀粉用量的增加，复合材料的拉伸强度呈现先增加然后略有减小的趋势。稻草粉末是基料，淀粉是粘接材料，通过淀粉使稻草粉末之间形成了较强的相互作用。淀粉用量增大，稻草粉末之间形成的结合点越多，抵抗拉伸破坏的能力越强，拉伸强度越高；但淀粉用量过多，会造成局部淀粉过多聚集，从而会使强度降低，所以淀粉用量不超过50%。由图2可见，复合材料的拉断伸长率大体随淀粉用量的增加先增加后减小。拉断伸长率的变化规律与拉伸强度的变化规律相同，因为强度大，稻草粉末结合点越多，在拉伸过程中发生断裂持续的时间越长，伸长率越大。由图3可见，复合材料的硬度具有不均匀性，一方面与稻草本身硬度的不均匀性有关，另一方面也与复合材料表面存在稻草部分、淀粉部分及两者的接触部分有关。不同配比条件下，硬度的波动范围基本一致，表明配比对硬度的影响不大。由图4可见，随淀粉用量的增加，复合材料的弯曲强度增加。这可能与淀粉增加了复合材料的刚性有关。

固定热压温度140 ℃，淀粉的质量分数为40%，改变热压时间，制备了一系列淀粉/上段稻草粉末复合材料，材料的拉伸性能及硬度如图5～7所示。由图5可见，复合材料的拉伸强度随热压时间的增加大体呈现先增加后减小的趋势。热压时间较短时，淀粉溶化、润湿稻草不充分，因而强度低，热压时间过长，则使稻草本身变性，强度变差，从而影响复合材料的强度。由图6可见，复合材料的拉断伸长率在合适的时间处取得最大值，时间过长或过短，拉断伸长率都降低。这是因为热压时间短，则稻草粉末结合强度不高，易分离，使得拉断伸长率较低；热压时间过长，则材料自身结构发生变化，易于发生破坏，拉断伸长率降低。由图7可见，与配比一样，热压时间对硬度的影响较小，各个热压时间条件下，材料的硬度波动范围大体相同。

固定热压时间10 min，淀粉的质量分数为40%，改变热压温度，制备了一系列淀粉/上段稻草粉末复合材料，材料的拉伸性能、弯曲性能及硬度如图8～11所示。由图8可见，在选定的试验条件范围内，复合材料的拉伸强度随热压温度的增加而减小，表明在130 ℃时，淀粉已经基本地充分溶化、润湿稻草，增加热压温度，淀粉溶化、润湿稻草程度没有明显增加，但稻草及淀粉本身结构及性质改变的程度增加，从而使强度降低。由图9可见，复合材料的拉断伸长率在热压温度过高或过低时都减小。热压温度过高时，稻草及淀粉结构及性质的改变使得材料拉断伸长率降低。在150 ℃以下，复合材料强度高，则拉断伸长率低，这是因为强度高则稻草之间的粘接及相互束缚程度较强，变形性减弱，因而伸长率降低。由图10可见，复合材料的弯曲强度随热压温度的增加而降低，这是由于热压温度升高增加了稻草及淀粉结构与性质的改变，变性部分成为材料内部的新缺陷，随缺陷的增加，材料弯曲强度逐渐降低。由图11可见，热压温度增加，复合材料的硬度变化不明显，这与前面各因素对硬度的影响结果一致。

3 结论

采用加水混合然后热压的方法可以制备淀粉/上段稻草粉末复合材料，材料的硬度具有不均匀性，存在一定波动范围，受外界因素影响较小，而材料的拉伸性能及弯曲性能则受温度、配比、热压时间的影响而发生明显变化，在淀粉用量为40%，热压温度130 ℃，热压时间10 min的条件下热压，可以制备出强度达5.19 MPa的复合材料。

参考文献：

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