天津工業(yè)大學紡織學院，天津300387

苧麻纖維復合材料力學性能的研究*

孔莉莉成玲萬培培

天津工業(yè)大學紡織學院，天津300387

利用化學脫膠方法制得全脫膠苧麻纖維，發(fā)現(xiàn)全脫膠苧麻纖維較原苧麻纖維的分散性更好，斷裂伸長率更高。制備全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)分別為10%、20%、30%，樹脂基體分別為環(huán)氧樹脂和聚丙烯的復合材料，測試其壓縮、彎曲、剪切性能，觀察斷面情況；然后分析纖維含量及樹脂種類對復合材料力學性能的影響；并根據(jù)其用途方向，最終確定全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)在20%時的苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料的綜合性能最佳，適用于醫(yī)用夾板材料。

全脫膠，苧麻纖維，復合材料，體積分數(shù)，樹脂基體，力學性能，斷面，醫(yī)用夾板材料

隨著人類社會需求的全面化，材料的復合化日趨明顯。復合材料既能保持原材料的性能特征，又能使各組分材料彼此取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，獲得單一原材料所不能達到的新性能。復合材料種類很多，基于增強體，復合材料可分為碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、芳綸纖維復合材料等。且隨著材料科學的不斷發(fā)展，以及人們對環(huán)境保護、衛(wèi)生健康等意識的覺醒，國內(nèi)外對綠色環(huán)保材料的研究也越來越深入，并已將其劃歸為新型材料研究的高技術新領域。那些具有價低、環(huán)保、易得、可再生等優(yōu)勢的天然植物纖維在復合材料的研究中備受青睞[1]。其中，麻纖維長度長，潔凈度、取向度、彈性模量等都比較優(yōu)異，很適合作為纖維復合材料的增強體。與其他復合材料相比，麻纖維復合材料具有密度小、成本低、能耗低、環(huán)保等優(yōu)點，是吸濕、隔聲、減震、降噪、耐沖擊材料的首選[2]75,[3-4]。近年來，國內(nèi)外對于麻纖維復合材料的研究日漸加深。日本的GODA等[5]對麻纖維復合材料的成型壓力、拉伸性能，以及利用堿處理方法提高材料的性能等，做了研究分析和探討；KOICHI等[6]研究發(fā)現(xiàn)亞麻纖維與樹脂具有很好的界面性能，可使材料具備很高的彈性模量；IJI等[7]對洋麻纖維/聚乳酸復合材料在負荷狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性能做了深入的探討和研究，為開發(fā)耐熱材料提供了思路。印度的JOSEPH[8]對比了未處理和經(jīng)過表面處理的劍麻纖維聚乳酸基復合材料的動態(tài)力學性能，發(fā)現(xiàn)表面處理后的復合材料動態(tài)力學性能明顯優(yōu)于未處理的復合材料。國內(nèi)方面，王鵬飛等[9]研制了苧麻/醋酸纖維素復合材料，發(fā)現(xiàn)其力學性能隨苧麻纖維體積分數(shù)的增加而增強，并在苧麻纖維體積分數(shù)為45%～50%時達到最大值；雷文等[10-12]分析得出，經(jīng)濃強堿處理的苧麻布/不飽和聚酯復合材料的界面性能有很好的改善，另外還發(fā)現(xiàn)，漢麻纖維/不飽和聚酯復合材料的拉伸模量隨著漢麻纖維含量的增加逐漸增加，而拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量及沖擊強度等均先減小再增大；曾竟成等[13]研究發(fā)現(xiàn)黃麻纖維單向復合材料的性能優(yōu)于黃麻布復合材料。

復合材料因其良好的性能被廣泛應用，在醫(yī)療骨科領域也逐漸受到重視，其可替代傳統(tǒng)的夾板材料。因此，研究經(jīng)濟環(huán)保的天然麻纖維復合材料作為醫(yī)用夾板材料具有很大的意義。本文選用全脫膠苧麻纖維為增強體，再分別利用環(huán)氧樹脂、聚丙烯為基體，制得全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)不同的復合材料，然后測試復合材料的力學性能，探究全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)及基體種類對復合材料力學性能的影響。

1 材料制備與測試

1.1全脫膠苧麻纖維的制備

選用湖南株洲2013年產(chǎn)的苧麻原麻。苧麻原麻的主要成分是纖維素，其主要存在于苧麻韌皮部，約占韌皮部外側初生纖維體積分數(shù)的70%[14]，其余為非纖維素類膠質[15]，這些膠質對于纖維具有營養(yǎng)或黏結作用，膠質或部分或完全與纖維相連接[16]，將纖維膠結在一起形成較硬的片狀麻束。但這樣的麻束是不能直接用來紡紗或制作復合材料的，必須先進行脫膠處理。國內(nèi)外對麻纖維的脫膠工藝已有大量的研究[17]，本文選擇流程短、效果好的快速化學脫膠方法[2]285。脫膠前后苧麻纖維的縱向形態(tài)結構變化見圖1，拉伸性能變化見表1。

(a) 手撕原苧麻纖維

(b)全脫膠苧麻纖維

苧麻纖維斷裂強力/cN斷裂強度/MPa初始模量/(cN·dtex-1)斷裂伸長率/%手撕原苧麻纖維94.223746.78192.52.485全脫膠苧麻纖維55.375570.83160.94.336

從圖1可以看出，全脫膠苧麻纖維較手撕原苧麻纖維表面平整、光潔，纖維與纖維之間分散性好，且全脫膠苧麻纖維因沒有了膠質的覆蓋，故可清晰看到有明顯的溝壑存在。但脫膠過程中的高溫及化學物質對苧麻纖維本身的力學性能有一定程度的削弱作用[18]。表1中，手撕原苧麻纖維的斷裂強力、斷裂強度、初始模量都高于全脫膠苧麻纖維，但全脫膠苧麻纖維的斷裂伸長率優(yōu)于手撕原苧麻纖維，這是因為去掉膠質后，纖維本身的性質占主導地位，全脫膠苧麻纖維本身具有一定的韌性，故斷裂伸長率優(yōu)于手撕原苧麻纖維。

1.2樹脂基體的選用

纖維復合材料是由纖維增強材料與樹脂基體綜合而成的，二者缺一不可、相互依存。樹脂基體的主要作用是黏結纖維、均衡載荷。制備天然纖維復合材料時，樹脂基體的選擇通?？紤]以下因素：制品的使用性能、加工的環(huán)境、與纖維增強體的相容性、環(huán)保性及成本問題等[2]305。本試驗綜合以上因素，確定選用熱固性環(huán)氧樹脂和熱塑性聚丙烯做對比分析，兩者的主要物理性能如表2所示。

表2 環(huán)氧樹脂與聚丙烯的物理性能

1.3全脫膠苧麻纖維復合材料的制備

苧麻纖維的長度一般在60～200 mm之間。相比長纖維，短切纖維具有分散性好、工藝簡單、梳理方便、與樹脂能充分融合等優(yōu)勢。故本文將全脫膠苧麻纖維長度加工成約50 mm。

將短切的全脫膠苧麻纖維呈網(wǎng)狀均勻鋪就于尺寸為300 mm×300 mm×2 mm的模具中，并依次改變?nèi)撃z苧麻纖維的體積分數(shù)，采用VRTM工藝(樹脂基體選用環(huán)氧樹脂)或傳統(tǒng)模壓成型工藝(樹脂基體選用聚丙烯)，制得全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)分別為10%、20%、30%的全脫膠苧麻纖維/環(huán)氧樹脂復合材料(下文簡稱“苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料”)和全脫膠苧麻纖維/聚丙烯復合材料(下文簡稱“苧麻/聚丙烯復合材料”)(圖2) 。

(a) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

1.4全脫膠苧麻纖維復合材料力學性能測試

選用島津萬能強力儀測試全脫膠苧麻纖維復合材料的壓縮、彎曲及剪切性能，具體測試分別參照GB/T 3856—2005《單向纖維增強塑料平板壓縮性能試驗方法》[19]、GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》[20]、JC/T 773—2010《纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》[21]。

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1試驗數(shù)據(jù)

全脫膠苧麻纖維復合材料力學性能測試結果如表3所示。

表3 全脫膠苧麻纖維復合材料力學性能

(續(xù)表)

2.2數(shù)據(jù)分析

2.2.1 壓縮性能

根據(jù)表3分別做出兩種全脫膠苧麻纖維復合材料的壓縮強度折線(圖3)。

(a) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

復合材料壓縮性能的影響因素有很多，但很大程度上仍依賴于樹脂基體本身的性能，除此以外還與制樣水平、材料孔隙率、壓縮方向、破壞方式等因素有關。從圖3可以看出，兩種復合材料的壓縮性能差異較大：

(1) 對于苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料，當全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為10%時，環(huán)氧樹脂本身的性質——脆性大占主導地位，制樣過程中纖維與環(huán)氧樹脂之間能夠充分融合，且相互作用強，所以此時復合材料的壓縮強度最大；隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加，苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料中全脫膠苧麻纖維的密度增加，環(huán)氧樹脂對全脫膠苧麻纖維的浸潤能力逐漸變差，兩者之間不能充分黏結，所以壓縮強度整體呈降低趨勢。

(2) 對于苧麻/聚丙烯復合材料，其壓縮強度隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加先增大后減小，并在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%時達到最大。原因在于聚丙烯的韌性較環(huán)氧樹脂大，故苧麻/聚丙烯復合材料在壓縮過程中先發(fā)生一定的彎曲，在達到最大彎曲點處開始發(fā)生壓縮破壞，故苧麻/聚丙烯復合材料受力彎曲的過程對壓縮力起到了一定的轉化和緩沖作用。當全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)在20%以下時，聚丙烯對纖維的浸潤性好，纖維與聚丙烯之間的黏結作用好，此時隨著纖維含量的增加，復合材料內(nèi)纖維的密度隨之增加，纖維本身的性質對復合材料性能的影響增強，受壓縮力時纖維的存在在一定程度上減緩了聚丙烯的柔韌性，使復合材料的強度增大；當全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)在20%以上時，隨著纖維含量的增加，材料內(nèi)纖維密度增大，聚丙烯對纖維的浸潤能力逐漸變差，纖維與聚丙烯之間不能充分黏結，強度逐漸下降。

2.2.2 彎曲性能

根據(jù)表3分別做出兩種復合材料的彎曲強度折線(圖4)。由圖4可以看出，兩種復合材料的彎曲強度變化趨勢都是隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加而增大的。其中：

(1) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為10%～20%時，因環(huán)氧樹脂基體本身的性質較明顯，故全脫膠苧麻纖維本身的增強效果較全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%～30%時稍慢。

(a) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

(2) 苧麻/聚丙烯復合材料的彎曲強度在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%以下時增速較快，隨后隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加，聚丙烯浸潤纖維受阻，彎曲強度增速稍有降低。

但是對比圖4還可以明顯看出，相同全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)下，苧麻/聚丙烯復合材料彎曲強度明顯低于苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料，究其主要原因：首先為聚丙烯本身的彎曲強度低于環(huán)氧樹脂；其次是苧麻/聚丙烯復合材料模壓成型在180 ℃高溫下進行，而苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料成型最高溫度為120 ℃，全脫膠苧麻纖維經(jīng)180 ℃作用后其強度遠低于經(jīng)120 ℃作用后的強度。

2.2.3 剪切性能

根據(jù)表3分別做出兩種全脫膠苧麻纖維復合材料的剪切強度折線(圖5)。

(a) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

剪切強度的大小反應了材料界面性能的強弱，即纖維與樹脂之間的黏結效果。影響復合材料剪切強度的因素有很多，如基體與纖維的種類、材料的孔隙率、加工工藝、制樣水平等。本文的測試結果在一定程度上體現(xiàn)了全脫膠苧麻纖維復合材料界面性能的強弱。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料的剪切強度隨全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加而增大。盡管在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)很大時，環(huán)氧樹脂對全脫膠苧麻纖維的浸潤能力減弱，兩者之間的黏結作用減小，影響了全脫膠苧麻纖維復合材料的界面性能，但內(nèi)部全脫膠苧麻纖維密度的增大會分擔一部分的剪切力，同時全脫膠苧麻纖維之間的摩擦作用增強，故最終的剪切強度有所提高。

(2) 苧麻/聚丙烯復合材料在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%時剪切強度最大，此時全脫膠苧麻纖維與聚丙烯之間的浸潤黏結最充分；繼續(xù)增大全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)會導致聚丙烯對纖維的浸潤受阻，進而影響苧麻/聚丙烯復合材料的界面性能；當全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)在20%以下時，聚丙烯本身的性能影響較大，苧麻/聚丙烯復合材料剪切強度較低。

2.3復合材料斷面對比分析

2.3.1 壓縮性能

全脫膠苧麻纖維復合材料壓縮性能測試中，苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料與苧麻/聚丙烯復合材料的斷面情況見圖6。

(a) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

從圖6可以看出，全脫膠苧麻纖維復合材料壓縮斷裂之后，橫向斷裂不僅向長度方向進行了延伸，還出現(xiàn)了分層，且全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)越大，分層越明顯。這進一步說明，全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)越大，樹脂與全脫膠苧麻纖維的融合效果越差，受力壓縮時越易分離，導致材料出現(xiàn)分層。且對比觀察兩種全脫膠苧麻纖維復合材料斷面可以看出：苧麻/聚丙烯復合材料在斷裂破損時，全脫膠苧麻纖維有較顯著的抽拔效果，且裸露在外的纖維長度長，說明全脫膠苧麻纖維與聚丙烯之間的黏結作用更差。

2.3.2 彎曲性能

全脫膠苧麻纖維復合材料彎曲性能測試中，苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料與苧麻/聚丙烯復合材料的斷面情況見圖7。

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

圖7中，大小不一的孔洞是由幾根或一束全脫膠苧麻纖維被整體抽拔出來所致的，這進一步說明纖維在全脫膠苧麻纖維復合材料內(nèi)部存在聚集現(xiàn)象。在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)較低時，對比彎曲斷面可以看出：苧麻/聚丙烯復合材料中全脫膠苧麻纖維斷裂較少，抽拔效果明顯且抽拔長度長，而苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料中全脫膠苧麻纖維斷裂多，抽拔多但抽拔長度短。這說明聚丙烯對全脫膠苧麻纖維的浸潤效果差，其與全脫膠苧麻纖維的黏結能力差。另外也說明了環(huán)氧樹脂的脆性較大。

2.3.3 剪切性能

全脫膠苧麻纖維復合材料剪切性能測試中，苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料與苧麻/聚丙烯復合材料的斷面情況見圖8。

(a) 苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料

(b) 苧麻/聚丙烯復合材料

從圖8可以看出：全脫膠苧麻纖維在苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料與苧麻/聚丙烯復合材料中分布都比較均勻，且全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)越大，全脫膠苧麻纖維復合材料內(nèi)部纖維密度越大，同時還可看到全脫膠苧麻纖維被抽拔而留下的孔洞；苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為10%時斷面比較整齊，纖維抽拔長度短，且大多數(shù)為直接斷裂，說明此時全脫膠苧麻纖維與環(huán)氧樹脂之間的黏結程度好，環(huán)氧樹脂基體的脆性影響較大；隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加，纖維抽拔效果明顯，說明環(huán)氧樹脂和聚丙烯對全脫膠苧麻纖維的浸潤能力逐漸變差，其中苧麻/聚丙烯復合材料纖維抽拔效果更明顯，斷面抽拔出的全脫膠苧麻纖維較長，且內(nèi)部出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，這進一步說明聚丙烯的浸潤效果差，其與全脫膠苧麻纖維之間的黏結能力弱。

3 結語

本文利用化學脫膠方法制得全脫膠苧麻纖維，對比分析了苧麻纖維脫膠前后的縱向形態(tài)結構及其拉伸性能；然后分別以環(huán)氧樹脂和聚丙烯為基體制備全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)不同的復合材料，探究全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)及基體種類對全脫膠苧麻纖維復合材料力學性能的影響：

(1) 脫膠后苧麻纖維表面平整光潔，溝壑清晰可見，纖維間分散性更好，強度及初始模量下降，斷裂伸長率增大。

(2) 對于苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料來說，壓縮強度在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為10%時最大，此時全脫膠苧麻纖維與環(huán)氧樹脂之間融合充分，相互作用強；隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加，壓縮強度逐漸降低，彎曲強度和剪切強度逐漸增大。但試驗顯示增加全脫膠苧麻纖維含量，在保證環(huán)氧樹脂充分浸潤纖維的情況下復合材料的質量會增加，這不但體現(xiàn)不出復合材料的優(yōu)勢，反而會增加病人的佩帶負擔，所以選用全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)在20%時的苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料最佳。

(3) 對于苧麻/聚丙烯復合材料來說，隨著全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)的增加，壓縮強度先增大后降低，并在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%時壓縮強度最大；彎曲強度逐漸增強，且當全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)在20%以下時彎曲強度增速快，超過20%后彎曲強度增速稍有降低；當全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%時，剪切強度最大。故苧麻/聚丙烯復合材料在全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%時，界面性能最佳。

綜合分析兩種全脫膠苧麻纖維復合材料的力學性能及其斷面情況得出，苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料的總體性能更好。且根據(jù)醫(yī)用夾板材料的使用要求，確定全脫膠苧麻纖維體積分數(shù)為20%的苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料質量適中、整體性能更佳。

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Mechanical properties of ramie fibers composite materials

KongLili,ChengLing,WanPeipei

School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

The fully degummed ramie fibers were obtained by chemical degumming method, and it was found that the fully degummed ramie fibers had better dispersion and higher breaking elongation than original ramie fibers. Then composite materials were prepared with the fully degummed ramie fibers, whose volume content was 10%, 20% and 30% respectively, and resin matrix, which was epoxy resin and polypropylene respectively. The properties of compressing, bending and shearing of the composite materials were measured, and the cross section of them was observed. Then the effects of fiber content and resin type on the mechanical properties of the composite materials were analyzed. And according to their use direction, the ramie/epoxy resin composite material with best comprehensive performance which was suitable for medical splint material was determined finally, whose fiber volume content was at 20%.

full degum, ramie fiber, composite material, volume fraction, resin matrix, mechanical property, cross section, medical splint material

TB332

B

1004-7093(2017)09-0012-08

*天津市科技支撐計劃重點項目(15ZCZDGX00340)

2017-03-03

孔莉莉，女，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向為護腰帶的舒適性

成玲，chengling@tjpu.edu.cn