目前，木塑行业使用的树脂原料多数为不可降解树脂，废弃物在自然界中难以降解，从而危害生态环境[1-2]。聚乳酸(PLA)是一种热塑性树脂，具有较高的强度和模量、良好的生物降解性，对环境友好[3]。近年来，利用PLA代替不可降解树脂，制备高强度、可降解木塑复合材料逐渐成为研究热点。夏艺玮等[4]以多酰胺类化合物(MA)为成核剂，制备PLA/木粉复合材料。结果表明：木粉与MA起协同成核的作用，使PLA的结晶速率大幅上升，提高复合材料的耐热性能。雷芳等[5]制备了PLA/木粉复合材料。结果表明：马来酸酐接枝聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)的添加，使PLA和木粉的相容性得到改善。当POE-g-MAH质量分数为4%时，复合材料的冲击强度可增加30.21%。但PLA存在成本高、质硬、韧性和耐热性差等缺陷，使其应用受到限制[6]。聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)是一种人工合成的共聚酯，具有优异的降解性能、良好的耐高温性、较好的抗拉强度等特性，常用于增强聚合物的耐热性和韧性[7]。袁龙等[8]制备PLA/PBAT/淀粉三元共混材料，添加PBAT后不仅提高了共混材料的韧性，而且对淀粉分子形成包裹，起成核剂作用，促进共混材料结晶。马祥艳等[9]制备PLA/PBAT/纳米碳酸钙复合材料。结果表明：PBAT与纳米碳酸钙起协同增韧的作用，使复合材料的冲击强度明显增大。沙柳具有可再生、来源广泛和成本低等优点，与树脂共混制备木塑复合材料(WPC)，在增强改性树脂的同时，也为沙柳资源的高值化利用开辟新途径。随着木塑复合材料研究领域的不断深入，针对单一树脂基木塑复合材料的界面特性和性能优化等方面的研究已取得一定成果，但关于多元树脂基木塑复合材料的研究相对较少。本实验采用PBAT对PLA/沙柳复合材料进行改性，通过模压成型的方法制备PLA/PBAT/沙柳三元木塑复合材料，为优化木塑复合材料的性能奠定基础，以使其在产品包装、储存和运输等领域得到广泛应用。1实验部分1.1主要原料聚乳酸(PLA)，3251D，美国Nature Works公司；聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)，C1200，德国巴斯夫集团；沙柳，内蒙古鄂尔多斯市曼赖乡。1.2仪器与设备电子万能试验机，WDW-20A，济南天辰机器制造有限公司；力学试验机，AG-IC，日本岛津仪器有限公司；摆锤式冲击试验机，ZBC7151-B，美特斯工业系统（中国）有限公司；热变形-维卡软化温度测定仪，HDT/V-12，承德市金建检测仪器有限公司；动态热机械分析仪(DMA)，Q800，美国TA公司；同步热分析仪，STA409PC，德国NETZSCH公司；扫描电子显微镜(SEM)，Phenom Pro，复纳科学仪器（上海）有限公司。1.3样品制备为了使混炼物料在模具中铺装时具有较好的填充效果，WPC设计密度为1.2 g/cm3。表1为PLA/PBAT/沙柳复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.T001表1PLA/PBAT/沙柳复合材料配方Tab.1Formula of PLA/PBAT/Salix composites样品PLA/%PBAT/%木粉/gKH550/g硬脂酸/g11000543.240.64829010543.240.64838020543.240.64847030543.240.64856040543.240.64865050543.240.64870100543.240.648PLA、PBAT的总质量为54 g，木粉的添加量为54 g，偶联剂(KH550)的添加量为3.24 g，硬脂酸的添加量0.648 g，PBAT的添加量为树脂总质量(PLA+PBAT)的百分比含量（0、10%、20%、30%、40%、50%和100%）。将沙柳木粉（40~60目）干燥后，利用95%乙醇对3%含量的KH550进行水解处理，乙醇和KH550的质量比为5∶1，处理时间为20 min，与50%含量的木粉混合均匀后烘干，得到改性木粉。将混炼机双辊筒的温度升至180 ℃和170 ℃，依次加入PLA、PBAT、硬脂酸和改性木粉均匀混炼，将混炼料放入模具，经热压与冷压成型，热压温度、热压压力和热压时间分别为185 ℃、5 MPa和7 min，冷压压力和冷压时间分别为7 MPa和10 min。1.4性能测试与表征力学性能测试：拉伸强度按GB/T 1040.2—2006进行测试；静曲强度和弹性模量按GB/T 17657—2013进行测试；冲击强度按GB/T 1043.1—2008进行测试。对于静曲强度、弹性模量和拉伸强度的保持率，计算公式为：保持率/%=加入PBAT的样品的力学强度未加入PBAT的样品的力学强度×100 （1）热变形性能测试：维卡软化温度按GB/T 1633—2000进行测试；热变形温度按GB/T 1634.2—2019进行测试，负重载荷分别为50 N和0.75 N。DMA分析：测试温度为室温~150 ℃，升温速率为5 ℃/min。TG分析：N2气氛，升温速率为10 ℃/min。SEM分析：对断面喷金处理后，观察断面形貌。2结果与讨论2.1WPC力学性能分析图1为PBAT加入量对WPC力学性能的影响。从图1可以看出，WPC的静曲强度、弹性模量、拉伸强度随PBAT加入量的增加均呈下降趋势。PBAT加入量为50%时，WPC的静曲强度、弹性模量和拉伸强度分别达到30.86、3 042 和13.47 MPa，与未添加PBAT的样品相比，WPC的静曲强度、弹性模量和拉伸强度的保持率分别为60%、51%和54%。PBAT是一种高弹性体，与刚性的PLA相比，具有较低的比强度和比模量[10]。随PBAT加入量的增加，复合体系中PLA的含量相对减少，使WPC整体的强度和刚性降低。图1PBAT加入量对WPC力学性能的影响Fig.1Effect of PBAT addition on mechanical properties of WPC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F1a1（a）拉伸强度和冲击强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F1a2（b）静曲强度和弹性模量随着PBAT加入量的增加，WPC的冲击强度增大，PBAT加入50%时，WPC的冲击强度达到4.74 kJ/m2，与未添加PBAT样品相比提高80%。PBAT的加入使WPC在受到外力冲击时，能够吸收大量冲击能量[11-12]。随着PBAT加入量的增加，吸收冲击能量的能力逐渐增强，冲击强度呈现上升趋势。综合分析，PBAT的加入量为50%时，WPC的静曲强度≥24 MPa，弹性模量≥2 200 MPa，其力学性能满足《建筑模板用木塑复合板》(GB/T 29500—2013)的使用标准。2.2维卡软化温度和热变形温度分析图2为WPC的维卡软化温度和热变形温度。从图2可以看出，随着PBAT加入量的增加，WPC的维卡软化温度和热变形温度均呈上升的趋势。PBAT的加入量为50%时，WPC的维卡软化温度和热变形温度为66.6 ℃和59.3 ℃，较未添加PBAT时分别升高5.9 ℃和2.5 ℃，WPC的耐热性有所增强。因为PBAT与PLA相比，PBAT具有良好的热稳定性[13]，抵抗热变形能力较强。随着PBAT加入量的增加，PLA含量随之减少，WPC的耐热性能得到提高[14]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F002图2WPC的维卡软化温度和热变形温度Fig.2Vicat softening temperature and thermal deformation temperature of WPC2.3DMA分析图3为PBAT加入量对WPC的储能模量和损耗模量的影响。表2为PBAT加入量对WPC损耗模量特征值的影响。图3PBAT加入量对WPC的储能模量和损耗模量的影响Fig.3Effect of PBAT addition on storage modulus and loss modulus of WPC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F3a1（a）储能模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F3a2（b）损耗模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.T002表2PBAT加入量对WPC的损耗模量特征值的影响Tab.2Effect of PBAT addition on characteristic value of WPC loss modulus样品PBAT加入量/%最大内耗/MPa内耗峰温度/℃10808.9664.93210745.7960.83320728.6959.35430615.9759.01540534.5758.75650373.0358.517100——从图3a可以看出，随着温度的升高，WPC的储能模量曲线呈下降趋势，含有PLA的样品储能模量曲线在100 ℃附近出现小幅上升回弹，未添加PLA的曲线无此现象发生[15]。由于WPC逐渐受热软化，导致复合体系的刚性降低，储能模量降低。当温度达到100 ℃附近时，PLA分子链运动加剧并促使其发生重排，使其结晶度增加，导致WPC整体刚性增强，储能模量小幅升高[16]。随着PBAT加入量的增加，WPC的储能模量呈下降趋势。原因在于PBAT属于高弹性物质，自身模量较低，刚性远低于PLA。在复合材料中加入PBAT后，PLA的相对含量减少，导致WPC整体刚性降低，储能模量下降[17-18]。从图3b可以看出，随着温度的升高，含PLA的WPC的损耗模量曲线呈现先上升后下降的趋势，在60 ℃附近出现明显的内耗峰，该内耗峰是由PLA的α松弛引起的[19]，未添加PLA的曲线无此现象。当温度未达到内耗峰温度时，PLA处于玻璃态，其大分子链不易滑移和转动[20]，温度升高导致分子链段间因内摩擦产生的热损耗增大，损耗模量上升。当温度高于内耗峰温度时，PLA分子链的热运动能力增强，温度升高使分子链间内摩擦减小，损耗模量降低。从表2可以看出，WPC的最大内耗和内耗峰温度随着PBAT加入量的增加均呈下降趋势，当PBAT的加入量为0~50%，WPC的最大内耗由808.96 MPa降至373.03 MPa，降低53.88%，内耗峰温度向低温方向移动，未添加PLA的样品无此现象。因为PBAT含有柔性链，运动相对较容易，随着PBAT加入量的增加，WPC整体的刚性减弱，大分子链段因内摩擦所引起的热损耗减少[21]，从而导致WPC的损耗模量下降。内耗峰温度向低温方向移动是因为PBAT增强了WPC内部的热量传递，促进了PLA的α松弛，导致内耗峰温度降低[22-23]。2.4TG分析图4为不同PBAT加入量下WPC的TG曲线，表3为相应的特征值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F004图4不同PBAT加入量下WPC的TG曲线Fig.4TG curves of WPC with different PBAT additions10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.T003表3不同PBAT加入量下WPC的TG曲线特征值Tab.3Characteristic values of TG curves of WPC with different PBAT additions样品PBAT加入量/%第二阶段失重起始温度/℃总失重率/%210312.2093.25320312.4687.90430312.5987.31540315.7687.02650317.0685.35从图4可以看出，WPC的TG曲线可分为三个阶段的失重：第一阶段(0~310 ℃)为WPC中的水分及有机助剂缓慢热解挥发过程，TG曲线无明显失重，此时材料具有良好的热稳定性。第二阶段(310~430 ℃)为WPC的主要热解阶段，主要为PLA、PBAT以及木粉成分中的半纤维素、纤维素和木质素的热解过程，此阶段PLA热解生成二氧化碳、乙醛和丙酸等小分子产物[24]，PBAT的β氢键裂解引起分子链断裂，并产生低分子质量的中间体物质[25-26]。第三阶段(430~800 ℃)为WPC热解前期生成的小分子产物继续热解过程[27]。从表3可以看出，随着PBAT加入量的增加，WPC的第二阶段失重起始温度呈上升趋势，总失重率呈下降趋势，残炭率由6.75%增至14.65%。因为PBAT的添加对WPC的裂解起一定的阻碍作用，PBAT含有芳香族PBT链段，具有较好的耐热性[25]，PBAT添加量的增加使复合体系中PLA的含量占比减少，从而提高WPC整体的热稳定性。2.5SEM分析为了更为清晰地观察PBAT在复合体系中的分布情况，选择PBAT加入量为20%和50%的样品进行分析，图5为不同PBAT加入量下WPC的拉伸断面SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.002.F005图5不同PBAT加入量下WPC的拉伸断面SEM照片Fig.5SEM images of tensile section of WPC with different PBAT content从图5可以看出，PBAT的加入量为20%时，样品的断面平整光滑，无相分离现象，说明木粉、PLA和PBAT三者之间的相容性较佳，WPC的力学性能较强。PBAT加入量为50%时，样品的断面粗糙，木粉纤维被拔出后留下孔洞，木纤维与树脂间的两相界面变清晰，表明木粉、PLA和PBAT三者的界面结合强度减弱，界面相容性变差，导致WPC的力学性能下降[28]。3结论（1）WPC的静曲强度、弹性模量和拉伸强度随PBAT加入量的增加而降低，但冲击强度明显升高。PBAT加入量为50%时，与未添加PBAT时相比，WPC的静曲强度、弹性模量和拉伸强度保持率分别为60%、51%和54%；冲击强度提高80%，获得良好的增韧效果。（2）随着PBAT加入量的增加，WPC的维卡软化温度和热变形温度呈上升趋势，表明WPC的耐热性能增强。WPC的储能模量和损耗模量随PBAT的加入均减小，内耗峰温度向低温方向移动，表明WPC的刚性和阻尼性能降低。WPC的第二阶段失重起始温度上升，总失重率下降，热稳定性得到提高。（3）SEM分析表明，PBAT的加入使WPC的界面相容性变差，从而导致力学性能下降。