苎麻纤维复合材料力学性能的研究*

天津工业大学纺织学院，天津300387

苎麻纤维复合材料力学性能的研究*

孔莉莉成玲万培培

天津工业大学纺织学院，天津300387

利用化学脱胶方法制得全脱胶苎麻纤维，发现全脱胶苎麻纤维较原苎麻纤维的分散性更好，断裂伸长率更高。制备全脱胶苎麻纤维体积分数分别为10%、20%、30%，树脂基体分别为环氧树脂和聚丙烯的复合材料，测试其压缩、弯曲、剪切性能，观察断面情况；然后分析纤维含量及树脂种类对复合材料力学性能的影响；并根据其用途方向，最终确定全脱胶苎麻纤维体积分数在20%时的苎麻/环氧树脂复合材料的综合性能最佳，适用于医用夹板材料。

全脱胶，苎麻纤维，复合材料，体积分数，树脂基体，力学性能，断面，医用夹板材料

随着人类社会需求的全面化，材料的复合化日趋明显。复合材料既能保持原材料的性能特征，又能使各组分材料彼此取长补短，产生协同效应，获得单一原材料所不能达到的新性能。复合材料种类很多，基于增强体，复合材料可分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、芳纶纤维复合材料等。且随着材料科学的不断发展，以及人们对环境保护、卫生健康等意识的觉醒，国内外对绿色环保材料的研究也越来越深入，并已将其划归为新型材料研究的高技术新领域。那些具有价低、环保、易得、可再生等优势的天然植物纤维在复合材料的研究中备受青睐[1]。其中，麻纤维长度长，洁净度、取向度、弹性模量等都比较优异，很适合作为纤维复合材料的增强体。与其他复合材料相比，麻纤维复合材料具有密度小、成本低、能耗低、环保等优点，是吸湿、隔声、减震、降噪、耐冲击材料的首选[2]75,[3-4]。近年来，国内外对于麻纤维复合材料的研究日渐加深。日本的GODA等[5]对麻纤维复合材料的成型压力、拉伸性能，以及利用碱处理方法提高材料的性能等，做了研究分析和探讨；KOICHI等[6]研究发现亚麻纤维与树脂具有很好的界面性能，可使材料具备很高的弹性模量；IJI等[7]对洋麻纤维/聚乳酸复合材料在负荷状态下的热稳定性能做了深入的探讨和研究，为开发耐热材料提供了思路。印度的JOSEPH[8]对比了未处理和经过表面处理的剑麻纤维聚乳酸基复合材料的动态力学性能，发现表面处理后的复合材料动态力学性能明显优于未处理的复合材料。国内方面，王鹏飞等[9]研制了苎麻/醋酸纤维素复合材料，发现其力学性能随苎麻纤维体积分数的增加而增强，并在苎麻纤维体积分数为45%～50%时达到最大值；雷文等[10-12]分析得出，经浓强碱处理的苎麻布/不饱和聚酯复合材料的界面性能有很好的改善，另外还发现，汉麻纤维/不饱和聚酯复合材料的拉伸模量随着汉麻纤维含量的增加逐渐增加，而拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量及冲击强度等均先减小再增大；曾竟成等[13]研究发现黄麻纤维单向复合材料的性能优于黄麻布复合材料。

复合材料因其良好的性能被广泛应用，在医疗骨科领域也逐渐受到重视，其可替代传统的夹板材料。因此，研究经济环保的天然麻纤维复合材料作为医用夹板材料具有很大的意义。本文选用全脱胶苎麻纤维为增强体，再分别利用环氧树脂、聚丙烯为基体，制得全脱胶苎麻纤维体积分数不同的复合材料，然后测试复合材料的力学性能，探究全脱胶苎麻纤维体积分数及基体种类对复合材料力学性能的影响。

1 材料制备与测试

1.1全脱胶苎麻纤维的制备

选用湖南株洲2013年产的苎麻原麻。苎麻原麻的主要成分是纤维素，其主要存在于苎麻韧皮部，约占韧皮部外侧初生纤维体积分数的70%[14]，其余为非纤维素类胶质[15]，这些胶质对于纤维具有营养或黏结作用，胶质或部分或完全与纤维相连接[16]，将纤维胶结在一起形成较硬的片状麻束。但这样的麻束是不能直接用来纺纱或制作复合材料的，必须先进行脱胶处理。国内外对麻纤维的脱胶工艺已有大量的研究[17]，本文选择流程短、效果好的快速化学脱胶方法[2]285。脱胶前后苎麻纤维的纵向形态结构变化见图1，拉伸性能变化见表1。

(a) 手撕原苎麻纤维

(b)全脱胶苎麻纤维

苎麻纤维断裂强力/cN断裂强度/MPa初始模量/(cN·dtex-1)断裂伸长率/%手撕原苎麻纤维94.223746.78192.52.485全脱胶苎麻纤维55.375570.83160.94.336

从图1可以看出，全脱胶苎麻纤维较手撕原苎麻纤维表面平整、光洁，纤维与纤维之间分散性好，且全脱胶苎麻纤维因没有了胶质的覆盖，故可清晰看到有明显的沟壑存在。但脱胶过程中的高温及化学物质对苎麻纤维本身的力学性能有一定程度的削弱作用[18]。表1中，手撕原苎麻纤维的断裂强力、断裂强度、初始模量都高于全脱胶苎麻纤维，但全脱胶苎麻纤维的断裂伸长率优于手撕原苎麻纤维，这是因为去掉胶质后，纤维本身的性质占主导地位，全脱胶苎麻纤维本身具有一定的韧性，故断裂伸长率优于手撕原苎麻纤维。

1.2树脂基体的选用

纤维复合材料是由纤维增强材料与树脂基体综合而成的，二者缺一不可、相互依存。树脂基体的主要作用是黏结纤维、均衡载荷。制备天然纤维复合材料时，树脂基体的选择通常考虑以下因素：制品的使用性能、加工的环境、与纤维增强体的相容性、环保性及成本问题等[2]305。本试验综合以上因素，确定选用热固性环氧树脂和热塑性聚丙烯做对比分析，两者的主要物理性能如表2所示。

表2 环氧树脂与聚丙烯的物理性能

1.3全脱胶苎麻纤维复合材料的制备

苎麻纤维的长度一般在60～200 mm之间。相比长纤维，短切纤维具有分散性好、工艺简单、梳理方便、与树脂能充分融合等优势。故本文将全脱胶苎麻纤维长度加工成约50 mm。

将短切的全脱胶苎麻纤维呈网状均匀铺就于尺寸为300 mm×300 mm×2 mm的模具中，并依次改变全脱胶苎麻纤维的体积分数，采用VRTM工艺(树脂基体选用环氧树脂)或传统模压成型工艺(树脂基体选用聚丙烯)，制得全脱胶苎麻纤维体积分数分别为10%、20%、30%的全脱胶苎麻纤维/环氧树脂复合材料(下文简称“苎麻/环氧树脂复合材料”)和全脱胶苎麻纤维/聚丙烯复合材料(下文简称“苎麻/聚丙烯复合材料”)(图2) 。

(a) 苎麻/环氧树脂复合材料

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

1.4全脱胶苎麻纤维复合材料力学性能测试

选用岛津万能强力仪测试全脱胶苎麻纤维复合材料的压缩、弯曲及剪切性能，具体测试分别参照GB/T 3856—2005《单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》[19]、GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》[20]、JC/T 773—2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》[21]。

2 试验数据及分析

2.1试验数据

全脱胶苎麻纤维复合材料力学性能测试结果如表3所示。

表3 全脱胶苎麻纤维复合材料力学性能

(续表)

2.2数据分析

2.2.1 压缩性能

根据表3分别做出两种全脱胶苎麻纤维复合材料的压缩强度折线(图3)。

(a) 苎麻/环氧树脂复合材料

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

复合材料压缩性能的影响因素有很多，但很大程度上仍依赖于树脂基体本身的性能，除此以外还与制样水平、材料孔隙率、压缩方向、破坏方式等因素有关。从图3可以看出，两种复合材料的压缩性能差异较大：

(1) 对于苎麻/环氧树脂复合材料，当全脱胶苎麻纤维体积分数为10%时，环氧树脂本身的性质——脆性大占主导地位，制样过程中纤维与环氧树脂之间能够充分融合，且相互作用强，所以此时复合材料的压缩强度最大；随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加，苎麻/环氧树脂复合材料中全脱胶苎麻纤维的密度增加，环氧树脂对全脱胶苎麻纤维的浸润能力逐渐变差，两者之间不能充分黏结，所以压缩强度整体呈降低趋势。

(2) 对于苎麻/聚丙烯复合材料，其压缩强度随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加先增大后减小，并在全脱胶苎麻纤维体积分数为20%时达到最大。原因在于聚丙烯的韧性较环氧树脂大，故苎麻/聚丙烯复合材料在压缩过程中先发生一定的弯曲，在达到最大弯曲点处开始发生压缩破坏，故苎麻/聚丙烯复合材料受力弯曲的过程对压缩力起到了一定的转化和缓冲作用。当全脱胶苎麻纤维体积分数在20%以下时，聚丙烯对纤维的浸润性好，纤维与聚丙烯之间的黏结作用好，此时随着纤维含量的增加，复合材料内纤维的密度随之增加，纤维本身的性质对复合材料性能的影响增强，受压缩力时纤维的存在在一定程度上减缓了聚丙烯的柔韧性，使复合材料的强度增大；当全脱胶苎麻纤维体积分数在20%以上时，随着纤维含量的增加，材料内纤维密度增大，聚丙烯对纤维的浸润能力逐渐变差，纤维与聚丙烯之间不能充分黏结，强度逐渐下降。

2.2.2 弯曲性能

根据表3分别做出两种复合材料的弯曲强度折线(图4)。由图4可以看出，两种复合材料的弯曲强度变化趋势都是随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加而增大的。其中：

(1) 苎麻/环氧树脂复合材料在全脱胶苎麻纤维体积分数为10%～20%时，因环氧树脂基体本身的性质较明显，故全脱胶苎麻纤维本身的增强效果较全脱胶苎麻纤维体积分数为20%～30%时稍慢。

(a) 苎麻/环氧树脂复合材料

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

(2) 苎麻/聚丙烯复合材料的弯曲强度在全脱胶苎麻纤维体积分数为20%以下时增速较快，随后随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加，聚丙烯浸润纤维受阻，弯曲强度增速稍有降低。

但是对比图4还可以明显看出，相同全脱胶苎麻纤维体积分数下，苎麻/聚丙烯复合材料弯曲强度明显低于苎麻/环氧树脂复合材料，究其主要原因：首先为聚丙烯本身的弯曲强度低于环氧树脂；其次是苎麻/聚丙烯复合材料模压成型在180 ℃高温下进行，而苎麻/环氧树脂复合材料成型最高温度为120 ℃，全脱胶苎麻纤维经180 ℃作用后其强度远低于经120 ℃作用后的强度。

2.2.3 剪切性能

根据表3分别做出两种全脱胶苎麻纤维复合材料的剪切强度折线(图5)。

(a) 苎麻/环氧树脂复合材料

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

剪切强度的大小反应了材料界面性能的强弱，即纤维与树脂之间的黏结效果。影响复合材料剪切强度的因素有很多，如基体与纤维的种类、材料的孔隙率、加工工艺、制样水平等。本文的测试结果在一定程度上体现了全脱胶苎麻纤维复合材料界面性能的强弱。观察图5可以发现：

(1) 苎麻/环氧树脂复合材料的剪切强度随全脱胶苎麻纤维体积分数的增加而增大。尽管在全脱胶苎麻纤维体积分数很大时，环氧树脂对全脱胶苎麻纤维的浸润能力减弱，两者之间的黏结作用减小，影响了全脱胶苎麻纤维复合材料的界面性能，但内部全脱胶苎麻纤维密度的增大会分担一部分的剪切力，同时全脱胶苎麻纤维之间的摩擦作用增强，故最终的剪切强度有所提高。

(2) 苎麻/聚丙烯复合材料在全脱胶苎麻纤维体积分数为20%时剪切强度最大，此时全脱胶苎麻纤维与聚丙烯之间的浸润黏结最充分；继续增大全脱胶苎麻纤维体积分数会导致聚丙烯对纤维的浸润受阻，进而影响苎麻/聚丙烯复合材料的界面性能；当全脱胶苎麻纤维体积分数在20%以下时，聚丙烯本身的性能影响较大，苎麻/聚丙烯复合材料剪切强度较低。

2.3复合材料断面对比分析

2.3.1 压缩性能

全脱胶苎麻纤维复合材料压缩性能测试中，苎麻/环氧树脂复合材料与苎麻/聚丙烯复合材料的断面情况见图6。

(a) 苎麻/环氧树脂复合材料

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

从图6可以看出，全脱胶苎麻纤维复合材料压缩断裂之后，横向断裂不仅向长度方向进行了延伸，还出现了分层，且全脱胶苎麻纤维体积分数越大，分层越明显。这进一步说明，全脱胶苎麻纤维体积分数越大，树脂与全脱胶苎麻纤维的融合效果越差，受力压缩时越易分离，导致材料出现分层。且对比观察两种全脱胶苎麻纤维复合材料断面可以看出：苎麻/聚丙烯复合材料在断裂破损时，全脱胶苎麻纤维有较显著的抽拔效果，且裸露在外的纤维长度长，说明全脱胶苎麻纤维与聚丙烯之间的黏结作用更差。

2.3.2 弯曲性能

全脱胶苎麻纤维复合材料弯曲性能测试中，苎麻/环氧树脂复合材料与苎麻/聚丙烯复合材料的断面情况见图7。

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

图7中，大小不一的孔洞是由几根或一束全脱胶苎麻纤维被整体抽拔出来所致的，这进一步说明纤维在全脱胶苎麻纤维复合材料内部存在聚集现象。在全脱胶苎麻纤维体积分数较低时，对比弯曲断面可以看出：苎麻/聚丙烯复合材料中全脱胶苎麻纤维断裂较少，抽拔效果明显且抽拔长度长，而苎麻/环氧树脂复合材料中全脱胶苎麻纤维断裂多，抽拔多但抽拔长度短。这说明聚丙烯对全脱胶苎麻纤维的浸润效果差，其与全脱胶苎麻纤维的黏结能力差。另外也说明了环氧树脂的脆性较大。

2.3.3 剪切性能

全脱胶苎麻纤维复合材料剪切性能测试中，苎麻/环氧树脂复合材料与苎麻/聚丙烯复合材料的断面情况见图8。

(a) 苎麻/环氧树脂复合材料

(b) 苎麻/聚丙烯复合材料

从图8可以看出：全脱胶苎麻纤维在苎麻/环氧树脂复合材料与苎麻/聚丙烯复合材料中分布都比较均匀，且全脱胶苎麻纤维体积分数越大，全脱胶苎麻纤维复合材料内部纤维密度越大，同时还可看到全脱胶苎麻纤维被抽拔而留下的孔洞；苎麻/环氧树脂复合材料在全脱胶苎麻纤维体积分数为10%时断面比较整齐，纤维抽拔长度短，且大多数为直接断裂，说明此时全脱胶苎麻纤维与环氧树脂之间的黏结程度好，环氧树脂基体的脆性影响较大；随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加，纤维抽拔效果明显，说明环氧树脂和聚丙烯对全脱胶苎麻纤维的浸润能力逐渐变差，其中苎麻/聚丙烯复合材料纤维抽拔效果更明显，断面抽拔出的全脱胶苎麻纤维较长，且内部出现碎裂现象，这进一步说明聚丙烯的浸润效果差，其与全脱胶苎麻纤维之间的黏结能力弱。

3 结语

本文利用化学脱胶方法制得全脱胶苎麻纤维，对比分析了苎麻纤维脱胶前后的纵向形态结构及其拉伸性能；然后分别以环氧树脂和聚丙烯为基体制备全脱胶苎麻纤维体积分数不同的复合材料，探究全脱胶苎麻纤维体积分数及基体种类对全脱胶苎麻纤维复合材料力学性能的影响：

(1) 脱胶后苎麻纤维表面平整光洁，沟壑清晰可见，纤维间分散性更好，强度及初始模量下降，断裂伸长率增大。

(2) 对于苎麻/环氧树脂复合材料来说，压缩强度在全脱胶苎麻纤维体积分数为10%时最大，此时全脱胶苎麻纤维与环氧树脂之间融合充分，相互作用强；随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加，压缩强度逐渐降低，弯曲强度和剪切强度逐渐增大。但试验显示增加全脱胶苎麻纤维含量，在保证环氧树脂充分浸润纤维的情况下复合材料的质量会增加，这不但体现不出复合材料的优势，反而会增加病人的佩带负担，所以选用全脱胶苎麻纤维体积分数在20%时的苎麻/环氧树脂复合材料最佳。

(3) 对于苎麻/聚丙烯复合材料来说，随着全脱胶苎麻纤维体积分数的增加，压缩强度先增大后降低，并在全脱胶苎麻纤维体积分数为20%时压缩强度最大；弯曲强度逐渐增强，且当全脱胶苎麻纤维体积分数在20%以下时弯曲强度增速快，超过20%后弯曲强度增速稍有降低；当全脱胶苎麻纤维体积分数为20%时，剪切强度最大。故苎麻/聚丙烯复合材料在全脱胶苎麻纤维体积分数为20%时，界面性能最佳。

综合分析两种全脱胶苎麻纤维复合材料的力学性能及其断面情况得出，苎麻/环氧树脂复合材料的总体性能更好。且根据医用夹板材料的使用要求，确定全脱胶苎麻纤维体积分数为20%的苎麻/环氧树脂复合材料质量适中、整体性能更佳。

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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

*天津市科技支撑计划重点项目(15ZCZDGX00340)

2017-03-03

孔莉莉，女，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为护腰带的舒适性

成玲，chengling@tjpu.edu.cn