麻纤维增强复合材料性能的研究

1 麻纤维增强复合材料性能 作者：轻化081 王龙 摘要 麻纤维具有价廉质轻、自然降解、比强度和比模量高等特性，广泛应用于纤维增强复合材料的制备．本文评述了这类复合材料的研究现状，系统地介绍黄麻纤维增强复合材料的制备，分析评论了麻纤维的结构特点、纤维表面改性以及复合材料的各种力学性能． 关键词： 复合材料，评述，黄麻纤维，聚丙烯纤维，热塑性树脂，复合材料，工艺参数，力学性能 前言： 近年来，用自然界中资源最丰富的天然植物纤维替代现在广泛使用的玻璃纤维等合成增强纤维，开发具有优良性能和价格低的复合材料的研究，已引起人们的高度重视．植物纤维价廉质轻、比强度和比刚度高以及可生物降解等优良特性，是其他的增强材料无法比拟的．在天然植物纤维中，麻类纤维不仅具有很高的强度和模量，同时具有纤维素质硬、耐摩擦、耐腐蚀的特点．我国的麻类资源极其丰富，是世界上麻分布最广、产量最多的国家之一．目前用麻纤维制备植物纤维增强复合材料的研究已经在欧美、日本和我国广泛展开，有的科研成果也已进入实用推广阶段，显示出良好的应用前景．国内已有研究者对剑麻、黄麻纤维增强复合材料的研究进展分别做了相关的综述和评价【1-3】，但是还没有对所有麻类纤维增强复合材料进行全面地、系统地评述．本文在介绍各类麻纤维的概况和特性的基础上，全面地综述国内外黄麻纤维增强复合材料的研究进展，归纳总结了国内外研究的特点，以期促进相关的基础研究和应用开发。 1麻纤维的概况和力学性能 按照从其植物本体抽取部位的不同来定义区分，各类麻纤维包括一年生或多年生草本双叶子植物皮层的韧皮纤维和单子叶植物的叶纤维．韧皮纤维主要有苎麻(Ramie)、亚麻(Flax)、黄麻(Jute)、大麻(Hemp)和洋麻(Kenaf)等；叶纤维则包括剑麻(Sisa1)和蕉麻(Abaca)等．其中黄麻和洋麻等韧皮纤维胞壁木质化，纤维短，多用于纺制绳索和包装用麻袋等；亚麻等胞壁不木质化，纤维的粗细长短同棉纤维相近，广泛用于纺织原料等；叶纤维则比韧皮纤维粗硬，主要用于麻绳、麻袋和手工艺品等。麻纤维具有独特的微观结构，表现出典型的复合材料特征．不同种类的麻纤维其细胞长度和宽度分布在5—50mm和20—50 m；其横截面为有中 2

空腔的腰圆形或多角形，纵向有横节和竖纹．各类麻纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶等组成，其化学成分组成和结构参数列于(表1)[4]．麻纤维因其组成和结构特点以及连续长度较长等原因，具有良好的力学性能和可加工性(表2)[4]，但是其力学性能则因其生长条件、抽取部位和种植时间不同而不同．

2黄麻纤维增强复合材料 增强体：黄麻学名CorchorusCapsularisL．，又名络麻、绿麻，一年生草本植物．黄麻纤维的硬度很高，具有较高的比强度和比模量的特点，但是与玻璃纤维相比，仍有弯曲强度低、吸湿性大、染色性差等缺点．因此，在黄麻纤维增强复合材料的制备过程中，需要解决复合材料的耐水性差以及界面强度低下等问题． 基体：聚丙烯一种用途广泛的高分子材料，等规聚丙烯因其低温脆性和收缩率大等缺陷，导致制品易变形且耐冲击性差，在一定程度上限制了它应用范围，聚丙烯的长处与麻纤维相结合，制定复合材料，取长补短。PP是一种半结晶性材料。它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。由于均聚物型的PP温度高于0C以上时非常脆因此许多商业的PP材料是加入1~4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯 3

含量的钳段式共聚物。聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度（100℃）、低透明度、低光泽度、低刚性，但是有更强的抗冲击强度。PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。PP的维卡软化温度为150C。由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。PP不存在环境应力开裂问题。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。然而，它对芳香烃（如苯）溶剂、氯化烃（四氯化碳）溶剂等没有抵抗力。PP也不象PE那样在高温下仍具有抗氧化性。 改性剂和预处理纤维：硅烷偶联剂和马来酸酐 改性机理研究现状： MAPP分子中有大量的羧基或酸酐基，这些基团能够与纤维中的羟基发生酯化反应，减少了引起纤维极性和吸湿性的羟基的数目，同时该共聚物长链又能与聚丙烯作用，如发生相互缠结或产生共结晶现象。这样提高了天然纤维与聚丙烯的界面亲和性。MAPP在基体中起一个桥梁作用，一方面，它可以与纤维发生酯化作用，由于天然纤维结晶度较高，反应过程只能中体积相对较大的MAPP分子很难渗入到天然纤维的内部，因此，MAPP和天然纤维的反应大部分集中在天然纤维的表面。另一方面，在MAPP分子链的末端是很长的聚丙烯链段，它可以和聚丙烯基体发生相互缠结，接枝链段聚丙烯与基体聚丙烯的晶型相同，而晶型相同的两种聚合物混合时，可以产生共结晶现象，彼此进入对方的晶格。这样无疑提高了体系的相容性，这是MAPP增容的优势所在，是别的相容性所无法比拟的。在黄麻纤维增强复合材料的制备过程中，需要解决复合材料的耐水性差以及界面强度低下等问题．郑融等[5]研究了黄麻线状单向纤维和随机分布短纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能，并与竹纤维增强环氧树脂复合材料进行了对比．实验中加入固化剂对纤维表面进行处理，提高了纤维和树脂界面的粘接性能，取得了较好的效果．曾竞成等[5]研究了黄麻捻合纤维束和黄麻布增强环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂复合材料的力学性能，发现黄麻纤维与热固性树脂基体之间有较好的浸润性；黄麻纤维单向复合材料的性能比黄麻布复合材料高，接近玻璃纤维布增强复合材料的性能，表明黄麻纤维能够代替玻璃纤维制备成结构材料的可能性．张安定等[6]用 注射成型制备黄麻纤维增强聚丙烯复合材料时发现，随着纤维质量分数或长度的增加，材料的拉伸、弯曲的强度和模量是递增的，而冲击强度是递减的；黄麻纤 4

维的添加改善了聚丙烯的力学性能，大幅度提高了材料的拉伸和弯曲模量，但是冲击强度和伸长率有所降低。日本Shima等[7]用注射成型方法制备黄麻纤维增强聚丙烯复合材料，分析了吸湿性对纤维和复合材力学性能的影响，同时用去油、脱脂和硅烷偶联剂预处理纤维，研究了复合材料的界面变化．结果表明，黄麻纤维的强度和刚性不随吸湿性的变化而改变，复合材料的破坏形态在吸湿实验前后也没有显著变化，但是复合材料内部的纤维由于吸湿出现浸润膨胀，材料的刚性有所下降但是拉伸强度保持不变．用电镜观察由硅烷偶联剂预处理纤维增强复合材料的断面，表明纤维和树脂问良好的粘结界面，是几种处理方法中效果最好的．Dieu等[8}在开发黄麻纤维／聚丙烯复合材料过程中发现，纤维经过室温20℃、低浓度0．4％的碱液处理后，其与树脂之间的界面粘接性能得到显著提高；当共混物中添加了马来酐改性聚丙烯后，材料的界面也能得到改善，而且拉伸强度和弯曲强度分别增加55％和190％，但是冲击强度没有提高．与黄麻纤维增强复合材料相比，黄麻纤维／玻璃纤维膜／聚丙烯混杂复合材料显示出极好的力学性能，材料的冲击强度从13．2kJ／m增加到38．9kJ／m．此外，Takemura等[91利用日本传统增强麻质渔网和渔线的Kakishibu方法处理黄麻织布，分析了黄麻纤维／聚丙烯复合材料的拉伸蠕变性能．结果表明，处理后的纤维增强复合材料在蠕变初期的弹性应变出现减少；纤维在小负荷胀紧状态下处理时，材料的杨 氏模量增加；但是在大负荷的状态下处理，效果反而变坏． 1原材料 (1)黄麻纤维:工艺纤维的线密度为3.33～1.67 tex，长度3.5～290mm，含短绒(<25 cm)，麻屑、并丝、麻粒及其他杂质约21.1%。(2)聚丙烯(PP)纤维:线密度1.5 dtex，长度40 mm，熔点168℃，密度0.89 g/cm3，单纤维强度485 mN/tex，断裂伸长28%。 2仪器与设备 TT500型电子天平、FZK500型开松机、FZSCD-Z850型高产梳理机、FZP1000型铺网机、FZZ-Ⅰ1000型预针刺机、FZZ-Ⅱ1000型主针刺机、101AB-1电热恒温鼓风干燥箱等。 模压成型关键工艺参数与产品力学性能的关系为研究模压成型关键工艺参数与 5

产品力学性能的关系，以T字型复合材料预制件为例，选择纤维配比、铺网层数、铺向角、热压温度和成型时间 5个关键因素来研究，每个因素分3组(如表1所示)，暂不考虑各因素间的交互作用，确定了试验方案，测试每一组的每一因素值成品相应的拉伸、撕破、顶破性能[6]，每一力学性能指标值均为某一因素值在不同组别下所测得值的平均数。

T字PP/型黄麻复合材料试样的尺寸为15 cm×15 cm，厚度为0.5 cm，铺网总层数为13、17和21层，拉伸、顶破、撕破性能测试的结果如图3～图6所示。在所有影响PP/黄麻复合材料力学性能的因素中，影响最大的是热压温度，当热压温度过高时， 6

制备过程中PP融化之后溢出在黄麻表面，造成PP与黄麻纤维之间结合不理想，界面性能较差，当复合材料受力时，易发生脆性断裂。另外，PP与黄麻纤维的配比对材料的拉伸强度也有显著影响，在本文选择的配比范围内，随着黄麻纤维与PP质量比从50∶50变为60∶40，材料的拉伸强度增加，这是因为热压成型过程中过高的PP含量会造成部分PP纤维的熔融和溢出，起不到对麻纤维的黏结增强作用;黄麻纤维的力学性能优于PP纤维，过低的黄麻纤维比例降低了其在材料整体中的增强作用。当铺向角为45°，铺层数为21层时，其对应的复合材料试样拉伸、撕破、顶破性能最好;较好的成型时间是4 min。 6结论 热压温度为190℃，黄麻与PP纤维的质量比为70∶30时，PP/黄麻纤维复合材料的强力达到最大值;随着热压时间延长，强力呈上升的趋势，在热压4 min时拉伸、撕破和顶破的强力最好;当纤维总层数为21层，铺向角为45°时，复合材料的力学性能达最优。 参考文献 1卢殉，章明秋，容敏智，杨桂成，曾汉民，剑麻纤维增强聚合物基复合材料，复合材料学报，19(5)，1(2002)) 2 (梁小波，杨桂成，曾汉民，剑麻纤维增强复合材料的研究进展，材料导报，19(2)，63(2005)) 3(余权英，黄麻塑料复合材料，高分子通报，2，72(1991)) 4 A．K．M ohanty,M．M isra，G．Hinrichsen，Biofibers，