锦葵茎皮纤维增强复合材料的力学及隔声性能

赵 磊，刘 华，樊理山，邓先宝，祁 宁

(1.盐城工业职业技术学院纺织服装学院，江苏 盐城 224005;2.盐城工业职业技术学院江苏省生态纺织工程技术研发中心，江苏 盐城 224005;3.苏州大学现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

海滨锦葵是一种适宜海滨地区生长的多年生草本植物，非常适合在江苏北部如大丰等盐土上(含盐量在0.6% ～1%)生长，如今对海滨锦葵的种植及锦葵籽油的高效提取的研究较多，而对残留下来的锦葵茎一般采取焚烧或丢弃的处理方式，其实锦葵茎皮中存在大量的束纤维，其强度、模量等物理性能与黄麻、亚麻等工艺纤维接近［1］。随汽车产业用纺织品逐渐向绿色、环保、价廉等方向发展［2－4］，天津工业大学、东华大学等高校一直致力于研究开发黄麻、亚麻、竹纤维等一些天然高性能纤维的增强复合材料［5－7］，但是对锦葵茎皮纤维增强复合材料的研究还比较少，因此开发锦葵茎皮纤维增强复合材料具有较高的潜在应用价值。

本文采用碱脱胶工艺自制锦葵茎皮纤维，并对其进行碱处理，通过模压成型法［8－9］制备出以碱处理后的锦葵茎皮纤维为增强体、聚丙烯为基体的增强复合材料，探讨锦葵茎皮纤维在不同质量分数下，复合材料的力学性能和隔声性能。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

锦葵茎皮，由江苏大丰北部农场提供;聚丙烯纤维，盐城维邦工程材料有限公司;NaOH，上海南翔试剂有限公司。

锦葵茎皮纤维脱胶后采用常州第一纺织设备有限公司的Y101原棉杂质分析仪进行开松;复合材料的预成型件采用苏州市华飞纺织科技有限公司的A181AS27梳棉成网小样机进行制作;复合材料板材的成型采用青岛鑫城一鸣橡胶机械有限公司的平板硫化机进行加工;复合材料的拉伸和弯曲性能采用上海龙华有限公司的INSTRON3369型万能电子强力仪器进行测试;纤维的结晶度采用美国Thermo Electron公司的Nicolet5700型红外光谱仪进行间接表征;纤维微观结构采用日本电子JSM-5600 LV型扫描电子显微镜进行观察;自行研发复合材料隔声性能测试装置。

1.2 锦葵茎皮纤维的提取

采用碱煮练法对锦葵茎皮脱胶，碱煮练工艺路线为:浸酸→水洗→敲打→碱煮→酸洗→水洗→敲打，重复2次碱煮练，温度为98℃，时间为1.5 h，浴比为1∶30。2次碱煮NaOH质量浓度分别为30g/L和20g/L［7－8］。

1.3 锦葵茎皮纤维的碱处理

将预处理后的锦葵茎皮纤维放在原棉杂质分析仪上进行单纤维化烘干后，置于质量分数为7.5%的NaOH溶液中，常温下浸渍1h，纤维保持蓬松状态，处理完毕后用稀酸溶液和清水洗涤至中性，于烘箱中80℃ 烘干至质量恒定备用［10－11］。

1.4 隔声性能测试装置

自制隔声性能测试装置简图如图1所示。包括声发射装置和声检测装置2部分，由扬声器、虚拟声卡仪器中的信号发生器共同组成的声发射装置进行发声，声信号的采集和处理系统由声传感器即麦克风、虚拟声卡仪器中的示波器和计算机等声检测装置组成，为保证实验数据的准确性，测试时被测板材与话筒之间的隔距要保持恒定［12－13］。隔声性能用声电压峰值衰减率(△U)来表征，△U值越大，表明声音衰减量越大，证明复合材料的隔声性能越好。△U的计算式为

式中:△U0为空测时的电压峰值，V;△U1为板材测试时的电压峰值，V。

图1 隔声性能测试装置简图Fig.1 Sketch of testing device with acoustic property

1.5 复合材料的制备及性能测试

采用人工方式使聚丙烯纤维开松，为避免纤维在梳理时因静电原因产生绕道夫而影响梳理成网，梳理前在纤维表面喷洒一定的水分，为保证制备出来的锦葵茎皮纤维增强聚丙烯复合材料的各项性能比较均匀，梳理成网时，采用分层的方式进行喂入，需要将聚丙烯纤维铺放在上下层，而锦葵茎皮纤维铺放在上下聚丙烯纤维层之间，按照锦葵茎皮纤维的质量分数为40%、30%、20%、10%、0进行制备100g的预成型件“锦葵茎皮纤维/聚丙烯纤维混合纤维网［7］”，一次梳理形成的纤维网再经过二次梳理，可保证成网的均匀性，二次梳理完后备用。复合材料制备过程前，先在模具上涂上脱模剂，将备用纤维网在80℃恒温烘箱中烘燥60 min，同时平板硫化机进行预热30 min后将混合纤维网即预成型件按照图2所示施压方式，恒温恒压一定时间后再进行冷却，脱膜后对热塑板进行修整制得复合材料。通过前期的摸索实验，考虑复合材料成型良好且不影响锦葵茎皮纤维的性能及提高产品加工速度，模压成型复合材料制备工艺:压力为10 MPa，时间为8 min，模压温度为190℃。

图2 复合材料模压成型Fig.2 Compression molding of composite

锦葵茎皮纤维的结晶度采用红外光谱法进行测定，为便于比较同时制备了100g的纯聚丙烯板材。纤维增强复合材料与纯聚丙烯板材的拉伸性能均按照GB 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行测试;弯曲性能均按照GB 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验法》进行测试;锦葵茎皮纤维增强复合材料拉伸断裂面的微观结构采用SEM扫描电镜进行分析;复合材料与纯聚丙烯板材的隔声性能在自制隔声性能测试装置上进行测试。

2 结果与讨论

2.1 锦葵茎皮纤维的结构与性能分析

2.1.1 纤维的微观结构

图3示出锦葵茎皮纤维碱处理前后表面的扫描电镜照片。在图3(a)中，锦葵茎皮纤维表面在碱处理之前残留着大量的果胶物质，而碱处理之后，锦葵茎皮纤维表面的胶质不但被大部分清除，而且纤维表面也出现很多沟槽，表面粗糙度提高(见图3(b))。这说明碱作用能极大地分离、溶解大部分非纤维素物质，如半纤维素、果胶、木质素等，降低了纤维的微纤旋转角，从而使表面得到刻蚀［10，14］。显然，锦葵茎皮纤维表面得到刻蚀后，能有效地提高锦葵茎皮纤维与基体之间的滑脱阻力，即增强了纤维与基体之间的黏结效果。

图3 碱处理前后锦葵茎皮纤维(×5000)Fig.3 SEM photographs of virginica stem bark fiber(×5000).(a)Untreated;(b)Alkali treated

2.1.2 纤维的基本性能

对未处理以及7.5%碱液处理后的锦葵茎皮纤维常规物理指标进行了测试，结果见表1。由表可知:碱处理后锦葵茎皮纤维的吸湿性有所降低，其主要原因在于锦葵茎皮纤维表面的羟基与碱之间生成了碱纤维素，减少了一定数量的亲水性基团［15］;碱处理降低了锦葵茎皮纤维的线密度，然而它的拉伸强度却有所上升，相比未处理之前，拉伸强度提高了2.43%，这主要由于碱作用后，果胶、木质素等物质大量减少致纤维细化，使锦葵茎皮纤维内部的大分子链自由活动的范围扩大，使分子链尽可能地沿着纤维长度方向进行规则排列，致使纤维的结晶度有所提高［9－10］。锦葵茎皮纤维碱处理前后的红外光谱如图4所示。碱处理后锦葵茎皮纤维在3400～3200 cm－1处的—OH基团吸收峰有所减小，在1740 cm－1吸收峰处，碱处理后锦葵茎皮纤维半纤维素的 ==C O伸缩振动吸收峰也有所下降，另外碱处理锦葵茎皮纤维在2916 cm－1处的吸收峰明显增加，将未发生明显变化的谱带用于分析构象和结晶的变化，通过红外光谱法［16］测定锦葵茎皮纤维碱处理前后的结晶度，用2916、1740、1054 cm－1三谱带分析结晶度，可证实碱处理后锦葵茎皮纤维的结晶度为0.92，大于未处理锦葵茎皮纤维的结晶度0.87。

表1 锦葵茎皮纤维的性能Tab.1 Properties of virginica stem bark fiber

图4 锦葵茎皮纤维的红外光谱图Fig.4 Infrared spectra photographs of virginica stem bark fiber

2.2 复合材料的强度分析

各复合材料的拉伸强度和弯曲强度如表2所示。质量分数分别为40%、30%、20%、10%、0的锦葵茎皮纤维增强复合材料分别记为A40、A30、A20、A10、A。图5为不同锦葵茎皮纤维含量的复合材料拉伸断裂面微观结构图。

表2 锦葵茎皮纤维增强聚丙烯复合材料的强度Tab.2 Strength of virginica stem bark fiber reinforced polypropylene composites MPa

图5 不同锦葵茎皮纤维纤维含量的复合材料拉伸断裂面(×200)Fig.5 Tensile fracture surface's microstructure of composites with different fiber contents of virginica stem bark fiber(×200)

由表2可知，当锦葵茎皮纤维质量分数从0%开始增加时，其增强聚丙烯复合材料的拉伸强度出现先增大后减小的变化过程，质量分数为30%时，拉伸强度达到最大值为37.5 MPa，如图5所示。当锦葵茎皮纤维质量分为在10%左右时，纤维的分散性较高，且锦葵茎皮纤维进行了碱处理，表面的羟基有明显减少［17］，因此锦葵茎皮纤维与基体之间能形成良好的黏结，且孔隙较小，但此时复合材料的强度取决于基体聚丙烯的强度，锦葵茎皮纤维在基体中所起的增强作用还不够明显;当锦葵茎皮纤维的质量分数在20%左右时，锦葵茎皮纤维的聚集程度有所提高，模压成型时锦葵茎皮纤维之间会发生一定的挤压，导致纤维和基体之间孔隙有所增大，纤维和基体的黏结力下降，少数纤维从基体当中抽拔出来，但锦葵茎皮纤维分布趋向均匀，基体对纤维总浸润面积增加，锦葵茎皮纤维间传递载荷效率提高，因锦葵茎皮纤维与基体总的黏结力增加，此时孔隙对复合材料强度的削弱作用较小，因此复合材料的拉伸强度仍呈现增加趋势;若纤维质量分数过高，当锦葵茎皮纤维的质量分数达到30%时，锦葵茎皮纤维在基体当中的密集程度更高，纤维在基体当中会发生簇拥现象，锦葵茎皮纤维和基体之间会形成更大的孔隙，纤维与基体之间的黏结作用即机械锁接力会明显下降，基体对锦葵茎皮纤维的包覆和浸润效果变差，基体的连续性及与纤维的黏结性下降，导致复合材料的拉伸强度呈现明显的下降过程。然而，弯曲强度随着纤维质量分数的增加出现逐渐增大的趋势，与纯聚丙烯相比，纤维质量分数10%、20%、30%和40%的复合材料弯曲强度分别增大13%、27%、38%和48%，其原因在于弯曲过程中未产生断裂，弯曲强度上反映的是试样中点处产生一定位移时所承受的载荷，因此当基体中纤维分布较均匀时，锦葵茎皮纤维质量分数越多，越能承受一定的弯矩作用。

2.3 复合材料的模量分析

各复合材料的拉伸和弯曲模量测试结果如表3所示。由表可知，复合材料的拉伸模量和弯曲模量随着锦葵茎皮纤维质量分数的增加出现先增大后减小的趋势，其原因在于纯聚丙烯的断裂延伸性较大，当锦葵茎皮纤维质量分数逐渐增大时，一方面由于锦葵茎皮纤维与基体之间能形成很好的黏结界面［18］，另一方面由于锦葵茎皮纤维本身的模量就比较高，这2个内在原因都限制了复合材料的拉伸和弯曲变形，因此拉伸和弯曲模量逐渐上升，但当锦葵茎皮纤维质量分数超过30%时，由于纤维和基体之间的空隙明显增大，使纤维和基体之间的应力传递作用效果减弱，复合材料易受外力作用产生拉伸或弯曲变形，因此模量有所下降。

表3 锦葵茎皮纤维增强聚丙烯复合材料的模量Tab.3 Modulus of virginica stem bark fiber reinforced polypropylene composites GPa

2.4 复合材料的强伸性分析

当锦葵茎皮纤维质量分数为0、10%、20%、30%、40%时，其制得的增强复合材料的断裂伸长率分别为 4.22%、3.13%、2.87%、2.64%、2.45%，可见纯聚丙烯的拉伸断裂延伸率最大，复合材料的断裂延伸率随着锦葵茎皮纤维质量分数的增加逐渐减小，其原因在于锦葵茎皮纤维加入后，由于锦葵茎皮纤维的断裂延伸性低于纯聚丙烯，因此复合材料的拉伸断裂延伸率明显下降，当锦葵茎皮纤维增多时，锦葵茎皮纤维被基体包覆的面积逐渐减小，且锦葵茎皮纤维与基体之间有明显的孔洞，纤维与基体之间的黏结力较小，当承受外力载荷时，锦葵茎皮纤维与基体之间易滑脱。

2.5 复合材料的隔声性能分析

各复合材料的隔声性能测试结果如图6所示。图中发声测试频率从1000 Hz增加到8000 Hz，间隔频率为1000 Hz，测得的声电压峰值衰减率越大，表示复合材料隔声性能越好。

图6 锦葵茎皮纤维增强聚丙烯复合材料的隔声性能Fig.6 Acoustic properties of virginica stem bark fiber reinforced polypropylene composites

由图6可看出，所有板材的隔声性能均随发声频率的提高而增大，可见它们都对高频声波的衰减效果较好。此外，当锦葵茎皮纤维的质量分数超过10%时，随发声频率的提高，各板材的隔声效果先增强后减弱，在发声频率为6000 Hz时的隔声效果最佳;当锦葵茎皮纤维的质量分数低于10%时，当发声频率相同时，纤维含量越低，隔声效果越差，其原因是碱处理后的锦葵茎皮纤维表面粗糙程度有了明显的改善，使得声音在投射到纤维表面时，经过多次折射和反射便无法通过复合材料，隔声效果提高;当锦葵茎皮纤维的质量分数超过30%时，隔声效果却反而下降，其原因是锦葵茎皮纤维质量分数太高时，即便粗糙度较高的锦葵茎皮纤维能有效地起到隔声效果，却由于锦葵茎皮纤维与基体之间的界面增多，复合材料内部的空隙数目增多导致部分声音能穿过。

3 结论

1)当锦葵茎皮纤维质量分数从0开始增加时，其增强聚丙烯复合材料的拉伸强度出现先增大后减小的变化过程，且在纤维质量分数为30%时，复合材料的拉伸强度达到最大值，为37.5 MPa;弯曲强度随纤维质量分数的增加出现逐渐增大的趋势，与纯聚丙烯相比，纤维质量分数为10%、20%、30%和40%的复合材料的弯曲强度分别增大了13%、27%、38%和48%。

2)当锦葵茎皮纤维质量分数从0开始增加时，其增强聚丙烯复合材料的拉伸、弯曲模量出现先增大后减小的变化趋势，当纤维质量分数在30%时，拉伸和弯曲模量均达到最大值;纯聚丙烯的拉伸断裂延伸率最大，当锦葵茎皮纤维质量分数增加时，复合材料的断裂延伸率产生逐渐下降的变化趋势。

3)当锦葵茎皮纤维质量分数超过10%时，随发声频率的提高，复合材料的声电压峰值衰减率先增大后减小，对频率为6000 Hz的阻挡效果最好;对同一发声频率，锦葵茎皮纤维质量分数越低，隔声效果越差，当锦葵茎皮纤维的质量分数超过30%时，隔声效果反而下降。

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