竹原纤维/聚氨酯复合材料的力学性能

楼利琴，任烨华，傅雅琴

(1.绍兴文理学院元培学院，浙江绍兴 312000;2.浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

利用天然植物纤维与各类聚合物复合制成复合材料在产业用领域的应用已成为研究趋势［1－2］。天然纤维复合材料不仅可降低成本，而且具有易降解、无污染等优点［3－4］。由对竹原、椰壳、麻、芦苇、稻草等植物纤维力学性能研究的可知，竹原纤维复合材料的综合性能较好［5－6］。竹原纤维具有质轻、强度高、来源广、价廉、环保、可生物降解、吸水和导湿性好、防臭、抗菌、抗紫外、对环境无污染等优点［7－8］，而聚氨酯材料具备环保、强度高，高阻尼性能［9］，常应用于纺织及复合材料中［10］。竹原纤维/聚氨酯复合材料可以充分发挥竹原纤维和聚氨酯的优点，可以替代木材、玻璃纤维、合成纤维等材料的增强复合，在建筑、汽车、装饰和航天航空等行业具有广阔的应用前景。

本文以竹原纤维为增强材料、选用环保的聚氨酯为基体，采用常压浇注工艺，制备了一系列竹原纤维/聚氨酯复合材料，并测试了材料的拉伸性能和冲击性能，分析了不同质量分数的NaOH处理及不同质量分数的竹原纤维对复合材料拉伸冲击性能的影响，对优化复合结构，开发高性能、高功能的新型环保增强复合材料具有重要意义。

1 实验部分

1.1 实验材料

纯竹原纤维，由四川斑博公司生产;聚氨酯预聚体，由嵊州市科鼎聚氨酯制品厂生产;MOCA-3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，由苏州湘园特种精细化工有限公司生产。

1.2 实验方法

1.2.1 试验方案

采用不同质量分数的NaOH溶液对竹原纤维进行脱胶预处理，通过优选得到最佳NaOH质量分数，选择脱胶效果好，同时对竹原纤维性能损伤小的预处理工艺。

将处理后的竹原纤维与聚氨酯复合，制备不同结构参数的复合材料，并测试复合材料的拉伸冲击性能。2种设计方案如下。

1)分别用质量分数为5%、10%、15%、20%、25%的NaOH处理，竹原纤维的质量分数为5%，处理时间为2 h。

2)不同质量分数的竹原纤维:由于竹原纤维具备高强高模性能，在复合材料中主要起骨架支撑作用，含量太高时，容易引起团聚。本文复合材料中纤维的质量分数分别为2.5%、3.75%、5%、6.25%、7.5%，用15%的NaOH处理，处理时间为2 h。

1.2.2 复合材料的制备

竹原纤维进行梳理后，按设计要求铺在模具中，将聚氨酯预聚体脱真空10～15 min，把固体MOCA-3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷升温到110℃进行熔化，再从真空箱内取出预聚体，将预聚体和MOCA按100∶14的质量比倒入预聚体中，混匀搅拌15 s后，浇注到已铺有竹原纤维的自制模具中，再在120℃烘箱中烘燥3 h，得到竹原纤维/聚氨酯一系列复合材料。

1.2.3 复合材料拉伸断裂测试

用日本岛津公司AG-1型万能材料实验机，对复合材料的拉伸性能进行测试。抗拉强度σ满足下式。

式中:F为材料在拉伸过程中所受的最大拉伸载荷，N;A为试样单位拉伸截面的面积，mm2;b为试样宽度，50mm;h为试样厚度，mm。

1.2.4 复合材料冲击实验

复合材料冲击性能实验的测试方法分为2类:对低能量冲击采用落锤冲击，对于应变频率冲击采用高速弹射法。由于竹原纤维/聚氨酯复合材料在民用领域应用较多，本文对其进行低能量冲击测试，为保证测试性能的稳定性，将落锤改成纺织品测试常用的钢球，在低速条件下测其垂直方向可承受的最大冲击力，即顶破强力。参照 GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》，采用大荣纺织仪器有限公司的YG(B)026H-250型织物强力机测试样品的冲击强力，实验机的速度设定为300mm/min，将试样裁剪成直径为100mm，记录其最大值即为顶破强力。每种样品测试5块有效试样，计算平均值。

1.2.5 复合材料的截面结构观察

用日本电子JSM-5610LV扫描电镜观察试样的截面形态。

2 结果与分析

2.1 竹原纤维/聚氨酯复合材料拉伸性能

2.1.1 NaOH质量分数对材料拉伸性能的影响

用不同质量分数NaOH处理后测试复合材料的抗拉强度和断裂伸长率，测试结果如表1所示。

表1 不同质量分数NaOH处理后复合材料的抗拉强度和断裂伸长Tab.1 Tensile strength and breaking elongation of composite material treated with NaOH of different mass fractions

从表1可看到，不同质量分数的NaOH处理后，复合材料随着NaOH质量分数的增加其抗拉强度先增大后减小，当NaOH质量分数为15%时，复合材料的抗拉强度最大。这主要是因为竹原纤维未经NaOH处理时，竹原纤维含有较多的果胶、木质素和半纤维素等低分子胶质，使基体和竹原纤维之间界面黏附性差，随着NaOH质量分数的增加，竹原纤维中的半纤维素、木质素和果胶等杂质被去除，纤维束分解导致纤维逐渐变细，纤维比表面积增加，与聚氨酯树脂的有效接触面积增大，有利于纤维与基体的充分接触，提高了竹原纤维与聚氨酯间的黏着力，而且NaOH与竹原纤维相互反应生成碱纤维素，在纤维表层形成刻蚀的沟槽，增加了纤维表面的粗糙度，有利于提高竹原纤维与聚氨酯之间的界面黏合力，从而使复合材料的抗拉强度增强，但随着NaOH质量分数的进一步增大，不但溶解掉竹原纤维表面的胶质，大量的OH－也渗入到纤维内部的晶区，纤维素晶区结构受到破坏，形成微晶结构，另一方面，大量的OH－使纤维素大分子降解，纤维素分子链缩短，损害了竹原纤维的强度［11］，削弱了复合材料的抗拉强度。

从表1还可看到，随着NaOH质量分数的增加，断裂伸长率逐渐增加。这主要是因为当NaOH质量分数较小时，竹原纤维与聚氨酯界面黏着力较差，拉伸时表现为复合材料的脆性断裂，复合材料的断裂伸长率较小。随着NaOH质量分数的增加，竹原纤维与聚氨酯黏着力增强，而聚氨酯的弹性伸长好，因此断裂伸长率增加。

2.1.2 竹原纤维对复合材料拉伸性能的影响

测试不同质量分数竹原纤维复合材料的抗拉强度和断裂伸长率，结果见表2。

表2 竹原纤维复合材料的抗拉强度和断裂伸长Tab.2 Tensile strength and breaking of elongation composite material of bamboo fibers

从表2可看到，纯聚氨酯的抗拉强度最差，随着竹原纤维质量分数的增加，复合材料的抗拉强度先增加后减少，在纤维质量分数为5%时抗拉强度达到最大，当竹原纤维质量分数继续增加时，复合材料的抗拉强度呈下降趋势。说明竹原纤维在一定程度上增加了复合材料的抗拉强度，随着竹原纤维质量分数增加，竹原纤维与聚氨酯的黏着力增加，抗拉强度增加。但当竹原纤维质量分数增大到一定程度时，聚氨酯基体的含量减少，影响了竹原纤维与聚氨酯树脂结合的有效接触面积，使聚氨酯不能很好地包覆在竹原纤维周围，导致复合材料的抗拉强度降低。

从表2还可看到，竹原纤维复合材料的断裂伸长率远远低于纯聚氨酯的断裂伸长率，随着纤维质量分数的增加，复合材料的断裂伸长率逐渐减小。这主要是因为随着竹原纤维质量分数增加，复合材料中树酯含量相对减少，拉伸时受力载体聚氨酯基体的连续性也相应减少，导致复合材料的断裂伸长率减少。

2.2 竹原纤维/聚氨酯复合材料冲击性能

2.2.1 NaOH质量分数对材料冲击性能的影响

测试不同质量分数NaOH处理后复合材料的顶破强力，结果如表3所示。

表3 不同质量分数NaOH处理后复合材料的顶破强力Tab.3 Bursting strength of composite material treated with NaOH of different mass fractions

从表3可看到，随着NaOH质量分数的增加，复合材料的顶破强力先增大后减小。这主要是因为当NaOH质量分数较小时，竹原纤维与聚氨酯基体间界面结合不够紧密，两相界面处存在着微小的裂纹，当复合材料受到冲击时，这些微小裂纹极易在基体中扩展，随着NaOH质量分数的增加，竹原纤维与聚氨酯之间的界面黏合强度提高，应力薄弱点减少，材料受到冲击时不易引发裂纹，因此复合材料的顶破强力提高，但随着NaOH质量分数的进一步增大，竹原纤维的强度大大降低［10］，从而使复合材料的顶破强力也有所下降。

2.2.2 竹原纤维对复合材料冲击性能的影响

测试不同质量分数竹原纤维复合材料的顶破强力，结果见表4。

从表4可看到，纯聚氨酯的顶破强力最差，随着竹原纤维质量分数的增加，复合材料的顶破强力先增加后减少，在竹原纤维质量分数为5%时，顶破强力达到最大，因为随着竹原纤维质量分数增加，纤维与树脂间黏着力增强，但随着竹原纤维质量分数的进一步增加，聚氨酯基体的含量减少，影响了与聚氨酯树脂结合的有效接触面积，纤维应力薄弱点增加，当受到外力冲击作用时，使复合材料的冲击强力减少。

表4 不同质量分数竹原纤维复合材料的顶破强力Tab.4 Bursting strength of composite material of bamboo fibers with different mass fractions

2.3 竹原纤维/聚氨酯复合材料截面形态

用15%NaOH处理2 h前后竹原纤维复合材料的截面形态见图1。

图1 处理前后复合材料的截面形态(×600)Fig.1 SEM images of cross-section of composite material with untreated and treated fibers(×600).(a)Untreated;(b)Treated

从图1可看到，未经NaOH处理的竹原纤维与聚氨酯制成的复合材料内部有孔洞存在，纤维周围黏附的基体树脂较少，存在着一定的界面分离现象，显示竹原纤维与聚合物基体之间的界面黏附性较差，经NaOH处理后，纤维表面有较多的聚氨酯基体黏结，竹原纤维被树脂包裹着，纤维与树脂基体间的结合十分牢固，竹原纤维与聚氨酯之间分离现象明显改善。

竹原纤维的主要化学组分是纤维素、半纤维素、木质素、果胶，采用碱溶液处理不仅除去了竹原纤维表面的胶质，又可使纤维束分裂，增大了基体与竹原纤维的表面接触面积，从而提高了与聚合物基体之间的界面黏附性，因此通过碱处理法改性可有效改善竹原纤维对基体树脂的黏着性，改善了纤维表面被基体树脂的包覆性，使纤维和聚合物之间形成一层紧密牢固的界面过渡层，使复合材料的力学性能提高。

3 结论

1)随着NaOH质量分数逐渐增加，抗拉强度先增大后减小，NaOH质量分数为15%时，复合材料抗拉强度最大，断裂伸长率随着NaOH质量分数的增加而逐渐增加。

2)添加一定量的竹原纤维能显著提高复合材料拉伸性能，随着纤维质量分数的增加，复合材料的抗拉强度先增加后减少，竹原纤维质量分数为5%时复合材料抗拉强度最大，断裂伸长率随着纤维质量分数增加而逐渐减小。

3)复合材料的冲击强度随着纤维质量分数、NaOH质量分数的增大先增加后减少，NaOH、竹原纤维的质量分数分别为15%和5%时，复合材料的顶破强力最大。

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