郭斌 姜海天 王礼建 李本刚 李盘欣

（1.南京林业大学理学院，江苏 南京，210037；2.河南省农林产品深加工院士工作站，河南 漯河，462600；3.南街村集团博士后科研工作站，河南 漯河，462600）

淀粉作为一种来源丰富的可生物降解材料，由于分子间强烈的氢键作用不具有塑料的加工和使用性能，必须使其分子结构无序化，即破坏其结晶结构，进行塑化才能转变成热塑性淀粉（TPS）［1］塑料，从而获得一定的加工性能。小麦秸秆（WS）是常见农业废弃物，具有低密度性、可再生性及可降解性［2］，可作为一种天然增强剂用于TPS塑料的改性，以利于提高其力学性能及耐水性能。目前，WS主要用于通用塑料或树脂的增强、可降解复合材料以及人造板的研究［3－5］，将其用于淀粉塑料尚未见相关的报道。

笔者近期对WS／TPS塑料的力学性能进行了系统研究［6］，考虑到今后对该体系进一步加工成型是获得塑料制品的必要步骤，下面探讨了 WS／TPS塑料的流变加工性能。

1 试验部分

1.1 主要原料

玉米淀粉，山东恒仁工贸有限公司；甘油，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；WS，江苏盐城周边地区。

1.2 主要仪器设备

微型植物试样粉碎机，FZ102，天津泰斯特仪器有限公司；挤出机，SHJ－20，南京杰恩特机电有限公司；转矩流变仪，RTOI－55／20，广州普同实验分析仪器有限公司；单螺杆挤出毛细管流变仪，RCSI－20／25，广州普同实验分析仪器有限公司；熔体流动速率仪，XRL－400，承德精密试验机有限公司。

1.3 样品制备

将小麦秸秆用植物粉碎机粉碎并筛分成粉末状颗粒，在70℃下干燥48h，再将麦秆粉料按不同比例（0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%）与300g天然淀粉和100g甘油在高速搅拌机中充分混合。然后将混合物料通过双螺杆挤出机塑化挤出，各区温度控 制 在 115，125，130 及 120 ℃，转 速 为170r／min，所制的物料经粉碎造粒后密封保存。

1.4 测试与表征

转矩流变性能：温度设定为140℃，转子转速为20r／min。

挤出毛细管流变性能：测定温度由料筒一区至模头依次为120，130，140及140 ℃，转子转速分别设定为1，5，10，15及20r／min，测试标准时间为120s，毛细管长径比为15∶1。测试中需要接入气源。

熔体流动速率 （MFR）：温度125 ℃，负荷21.6kg。

2 结果与讨论

2.1 WS／TPS塑料的转矩流变性能

转矩流变仪是一种模拟真实生产过程的相对流变仪，可用于测量转矩与温度、转速和时间的关系，转矩值的大小直接反映了物料的黏度和消耗的功率。若转矩太大，则加工中需要消耗许多电能，导致成本提高［7］。图1为不同 WS含量下 WS／TPS塑料的转矩。

图1 不同WS含量下WS／TPS塑料的转矩流变分析

由图1可看出，与未加WS的纯TPS相比，添加WS试样的峰值扭矩和平衡扭矩均有明显提高，这表明WS颗粒的加入对共混体系的流变加工性能有着显著的影响。对扭矩峰值而言，当WS质量分数为0.5%时，扭矩峰值由24.71N·m（纯TPS）增加到26.79N·m；随着 WS含量继续增加，WS／TPS塑料的扭矩峰值也不断增加，当 WS质量分数增加到2.0%时，扭矩峰值达到最大值35.34N·m。扭矩峰值太大，不利于 WS／TPS塑料的加工。

对平衡扭矩而言，当 WS质量分数为0.5%时，平衡扭矩由6.32N·m（纯 TPS）增加到8.23N·m；随着 WS含量继续增加，由0.5%增加到2.0%时，WS／TPS塑料的平衡扭矩变化不大。这说明在热和剪切力的共同作用下，WS／TPS塑料经塑化后，逐渐均匀，达到平衡，此时，由于体系已经分散均匀，因此，不同WS／TPS试样此时在剪切过程中对转子的阻力影响并不大。综合考虑，1.0%的WS／TPS塑料的峰值和平稳点扭矩值适中，具有较好的流变加工性能。

2.2 WS／TPS塑料的挤出毛细管流变性能

图2为140℃条件下测得的不同WS含量的WS／TPS塑料的表观黏度（η）与剪切速率（γ）的关系。在温度不变的情况下，随着γ的提高，不同WS含量下共混物熔体的黏度都呈下降趋势，这是由于流体中的粒子发生定向、伸展、变形或分散使流动阻力减少造成的，是假塑性流体所特有的剪切变稀性质［8］。因此可得出 WS／TPS塑料与TPS同属假塑性流体。

图2 不同麦秸秆含量下WS／TPS塑料的lgη－lgγ关系

同时，由图2可知，WS／TPS塑料熔体的流动曲线基本为线性，表明在试验条件范围内其剪切流动符合幂律方程［9］。表1为不同含量 WS的WS／TPS塑料在试验条件下熔体稠度（K）和非牛顿指数（n）值。

表1 不同WS含量下的K及n

从表1可以看出，WS／TPS塑料在WS质量分数为0～2.0%的范围内n值都小于1，且随着 WS含量的增加，n值先降低再增加。当WS处于较低含量（0.5%～1.0%）时，WS能够部分减小淀粉大分子间的作用力，起到类似润滑剂的作用。当WS质量分数为1.0%时，n值达到最低0.276，此时具有最佳的加工性能。随着WS含量进一步增加（1.5%～2.0%），n值再增加，这可能是由于WS颗粒与淀粉之间的相互作用力增强，相互作用的缠结点增多，阻碍了分子链的运动和滑动，增加了体系的刚性，使流动阻力增大，导致体系η增大［10］。线性回归结果的相关系数r均在0.97以上，可进一步表明在给定的γ范围内，WS／TPS塑料熔体的流动行为较好地符合幂律方程，属于假塑性流体。

2.3 WS／TPS塑料的 MFR

图3为不同 WS含量下WS／TPS塑料熔体的MFR。由图3可看出，随着WS含量的增加，WS／TPS塑料的MFR先上升后减小。这是由于当WS质量分数在0.5%时，WS粒子所占比例很小，均匀地分散在热塑性淀粉中，在一定负荷和熔体状态下流动时，WS颗粒可能作为小的运动单元参与流动，使共混体系黏度降低，MFR增大。随着WS含量逐渐增加，WS粒子与淀粉分子间的作用力进一步增强，相互缠结在一起，使整个体系在毛细管中流动时的阻力增大，表现为MFR减小。

图3 不同WS含量下WS／TPS塑料熔体的MFR

3 结论

对WS／TPS塑料的流变加工性能进行了系统研究，当 WS质量分数为0.5%和1.0%时，WS／TPS塑料的相关参数比较适中，具有较好的加工成型性能；随着WS含量的进一步增加，加工成型性能则变差。综合考虑该体系已有的力学性能，当WS质量分数为1.0%时，WS／TPS塑料的力学性能与加工性能最佳。

［1］ 唐皞，郭斌，薛岚，等.增塑剂在热塑性淀粉中的应用研究进展［J］.塑料工业，2012，40（7）：1－4.

［2］ 姜海天，唐皞，范磊，等.农作物秸秆在复合材料中的应用研究进展［J］.高分子通报，2013，11（11）：54－61.

［3］ Zou Y，Huda S，Yang Y Q.Lightweight composites from long wheat straw and polypropylene web［J］.Bioresour Technol，2010，101：2026－2033.

［4］ Avella M，Larota G，Martuscelli E，et al.Poly（3－hydroxybutyrate－co－3－hydroxyvalerate）and wheat straw fibre composites：thermal，mechanical properties and biodegradation behaviour［J］.J Mater Sci，2000，35：829－836.

［5］ Zhu X D，Wang F H，Liu Y.Properties of wheat－straw boards with FRW based on interface treatment［J］.Phys Procedia，2012，32：430－443.

［6］ 姜海天，王礼建，郭斌，等.小麦秸秆增强热塑性淀粉塑料的力学性能研究［J］.塑料工业，2014，42（5）：71－73.

［7］ 杨万泰.聚合物材料表征与测试［M］.北京：中国轻工业出版社，2011.

［8］ 张宝强，柯卓，鲍光复.高等级HDPE管材树脂毛细管流变性能研究［J］.塑料工业，2011，39（7）：111－113.

［9］ 顾国芳，浦鸿汀.聚合物流变学基础［M］.上海：同济大学出版社，2001：119.

［10］ 徐佩弦.高聚物流变学及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.