生物炭增强聚乳酸/木塑复合材料的湿热老化行为

《Materials & Design》：Hygrothermal aging behavior of biochar-reinforced polylactide/wood plastic composites

生物炭增强 landscaping waste/PLA 复合材料的力学性能与湿热老化特性研究，系统评估了0.5-4 wt%生物炭添加对材料机械强度、水分吸收及厚度膨胀的影响，发现1%生物炭可最佳提升抗老化性能，通过优化界面结合抑制水分渗透，同时保持材料高强度。

　　本文围绕一种新型可持续复合材料的开发与性能优化展开，该材料由园林废弃物（LW）和聚乳酸（PLA）组成，并通过添加生物炭（BC）以改善其机械性能和抗湿热老化能力。研究的核心目标在于评估BC的添加量（0.5%-4%）对LW/PLA复合材料的性能影响，特别是其在吸水和颜色稳定性方面的表现。研究结果表明，BC的引入在一定程度上能够有效提升材料的耐久性，降低吸水率和厚度膨胀率，并且改善颜色稳定性，从而为开发环保型建筑复合材料提供了理论和技术支持。

### 一、背景与意义

随着工业化的发展，非可再生能源的消耗不断上升，带来了严重的全球环境问题。与此同时，森林资源的减少和对木材需求的增加，使得寻找可持续的替代材料成为迫切需求。在这一背景下，木塑复合材料（WPCs）因其优异的综合性能而受到广泛关注。这类材料结合了木材纤维的天然特性与合成树脂的工程性能，具有良好的尺寸稳定性、抗裂性和耐酸碱性，适用于航空航天、家居装饰、物流等多个领域。

然而，WPCs在实际应用中面临着一个关键挑战：天然纤维与非极性热塑性基体之间的不相容性。这种不相容性导致了材料在潮湿环境下的机械性能下降、尺寸变化以及寿命缩短。为了克服这一问题，研究者们尝试引入高性能填料，如碳纳米管、石墨烯或碳纤维等。但这些填料往往成本较高，且难以大规模应用。相比之下，生物炭作为一种低成本、易获取的碳负材料，因其独特的结构和功能，逐渐成为一种新的研究方向。

生物炭不仅能够改善纤维与树脂之间的界面结合，还能够增强材料的结构-机械性能。更重要的是，生物炭的加入可以有效抑制水分子的扩散，从而降低材料的吸水性，提升其在湿热环境下的稳定性。这种特性对于开发用于户外环境的材料尤为重要，因为这些材料往往需要在潮湿和高温条件下长期使用。

### 二、材料与方法

研究中使用的材料主要包括园林废弃物（LW）、聚乳酸（PLA）和生物炭（BC）。LW由死枝和修剪枝条（主要为白杨木）组成，采集自山西农业大学的园林活动。这些材料经过粉碎、筛分和研磨后，形成了粒径为100目（即0.074毫米）的木粉。PLA为一种生物可降解塑料，具有良好的加工性能和环保特性。而BC则由竹子制成，具有较大的比表面积（7462.52 m2/g）、较高的孔体积（5.6976 mL/g）和平均孔径（3.0540 nm），这些特性使其成为理想的填料。

在制备过程中，LW粉首先在80°C下干燥24小时，以确保其含水率低于2%。干燥后的材料与PLA和BC按一定比例混合，并通过单螺杆挤出机进行熔融共混。挤出温度控制在50°C（进料区）、145°C和155°C（模头区），以防止PLA的热降解并确保均匀熔融。挤出后的物料通过颗粒化设备形成颗粒，然后使用热压机（170°C，10 MPa，10分钟）压制成测试样品。

为了系统评估BC对材料性能的影响，研究采用了多种测试方法。其中包括静态和动态机械性能测试、吸水率与厚度膨胀率测试、颜色稳定性分析以及动态机械分析（DMA）。此外，还通过扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观结构变化进行了观察。

### 三、结果与讨论

#### 1. BC对机械性能的影响

研究发现，BC的添加显著提升了LW/PLA复合材料的机械性能。特别是在1%的BC含量下，材料的弯曲强度达到了25.16 MPa，比未添加BC的对照组提高了19.20%。这一增强效果归因于BC在PLA基体中的均匀分散和其与纤维之间的良好界面结合。这种结合不仅增强了纤维与基体之间的应力传递效率，还通过物理交联机制限制了分子链的运动，从而提升了材料的刚性和韧性。

然而，随着BC含量的增加，材料的弯曲强度和模量出现了下降趋势。这主要是由于在较高含量下，BC颗粒容易发生聚集，形成微孔和缺陷，从而破坏纤维与基体之间的界面结合。此外，材料的吸水率也随着BC含量的增加而上升，尤其是在4%含量时，吸水率和厚度膨胀率均达到最低值。这一现象表明，BC的加入虽然能有效提升材料的抗水性能，但过量的添加反而会导致材料性能的恶化。

#### 2. BC对水吸收和扩散行为的影响

通过Fickian模型分析水吸收行为，研究发现BC的加入显著降低了材料的吸水率和厚度膨胀率。在干燥状态下，材料的储存模量（E'）随着BC含量的增加而提升，其中1% BC含量的样品表现出最佳的模量增强效果。然而，当材料吸水饱和后，其储存模量下降了61.97%-73.41%，说明水分子对材料的物理结构产生了破坏作用。

吸水过程导致纤维膨胀，进而引发基体中的微裂纹和孔隙。这些缺陷不仅削弱了纤维与基体之间的界面结合，还增加了材料的吸水能力。通过对比不同BC含量的样品，研究发现1% BC的样品在吸水后的弯曲强度和冲击强度保持最佳状态，而4% BC的样品则表现出最差的性能。这说明BC的添加量存在一个最佳值，过低的含量无法有效提升材料性能，而过高的含量则会导致界面缺陷的增加。

#### 3. BC对颜色稳定性的影响

颜色稳定性是衡量材料老化性能的重要指标之一。研究发现，BC的加入显著降低了材料的色差（ΔE*），特别是在4% BC含量时，色差值达到了最低点（ΔE* = 2.61）。这一结果表明，BC在抑制材料因吸水而引起的颜色变化方面具有显著效果。通过分析ΔL*（亮度变化）和Δa*、Δb*（红绿和黄蓝轴变化），研究发现1% BC含量的样品在亮度变化和色差值方面均优于其他组别。

BC的加入不仅减少了材料的吸水能力，还通过其高比表面积和多孔结构有效分散了水分子的渗透路径。此外，BC的非极性表面能够削弱纤维的亲水性，从而降低水分子与纤维之间的氢键作用。这些因素共同作用，使得BC在提升材料颜色稳定性方面表现出色。

#### 4. SEM分析

通过扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观结构变化，研究发现BC的添加显著改善了纤维与基体之间的界面结合。在1% BC含量的样品中，BC颗粒均匀分散在PLA基体中，形成了良好的界面结构。相比之下，4% BC含量的样品中出现了明显的BC聚集现象，这些聚集区域成为应力集中点，导致材料在吸水后表现出较差的机械性能。

此外，SEM图像还揭示了材料在吸水后的微观结构变化。所有样品在吸水后均出现了纤维与基体之间的脱粘现象，这表明水分子对材料的界面结合产生了破坏作用。然而，1% BC含量的样品表现出最佳的界面稳定性，其机械性能在吸水后仍能保持较高水平，这与该组材料的优异性能表现相吻合。

### 四、结论

综上所述，本研究系统地探讨了BC在0.5%-4%范围内的添加对LW/PLA复合材料的性能优化机制。研究发现，1% BC含量的样品在机械性能、吸水率和颜色稳定性方面均表现出最佳效果。这一结果表明，BC的加入能够有效提升材料的抗湿热老化能力，同时保持其良好的生物降解性。

因此，本研究为开发具有优异耐候性能的可持续建筑材料提供了理论和技术支持。通过合理控制BC的添加量，可以实现材料性能的优化，使其适用于户外环境下的应用，如木制地板和围栏等。未来的研究方向应包括对BC表面进行功能化改性，以进一步提升其在复合材料中的性能表现，并探索其在新一代建筑复合材料中的应用潜力。