谷 茜，成 玲，王心淼

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

苧麻脫膠率對其復(fù)合材料性能的影響

谷 茜，成 玲，王心淼

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

通過多次脫膠實(shí)驗(yàn)，選取脫膠率分別為0%（手撕原麻）、40%、70%和100%（精干麻）的4種苧麻纖維，并測試分析4種纖維的基本性能；以這4種脫膠率苧麻纖維和環(huán)氧樹脂為原料，采用樹脂傳遞模塑工藝制取了復(fù)合材料板材，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了測試分析.結(jié)果表明：當(dāng)苧麻纖維脫膠率70%時，其復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能最好；隨著脫膠率的增大，苧麻纖維復(fù)合材料的壓縮性、剪切性能越來越好.總的來說，脫膠率對苧麻纖維性能及其熱固性樹脂復(fù)合材料性能的影響較為顯著，脫膠率為70%時，苧麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu).

苧麻纖維；脫膠率；復(fù)合材料；力學(xué)性能

苧麻纖維以其綠色環(huán)保、價格低廉、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，深受紡織界和復(fù)合材料行業(yè)的喜愛.然而，由于苧麻生麻表面含有大量果膠，常常不能直接進(jìn)行復(fù)合材料的生產(chǎn)，需要先進(jìn)行脫膠或表面改性，而這些處理會在一定程度上削減苧麻纖維原有的性能[1-3]，并且對環(huán)境造成污染[4]，最終使得環(huán)保材料被迫成為了污染源.目前，人們對于麻纖維的脫膠工藝[5-6]、改性方法[7-9]進(jìn)行了大量研究，并且已從污染較重的化學(xué)方法向綠色環(huán)保的物理機(jī)械等方法轉(zhuǎn)變[10-11].但是，這些綠色方法又受到設(shè)備不完善或成本過高等條件的約束，未能實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?本文是針對苧麻纖維開發(fā)過程中脫膠工藝對環(huán)境污染的問題，提出了污染程度最低化思想.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料準(zhǔn)備

苧麻原麻由湖南瑞亞商科集團(tuán)提供.對苧麻纖維進(jìn)行脫膠，得到不同脫膠率的麻纖維，其密度為1.5 g/cm3，有效長度為226 mm.

環(huán)氧樹脂JC-06由常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司提供.其彎曲強(qiáng)度為90～100MPa，彎曲模量為2000～2500 MPa，拉伸強(qiáng)度為50～60 MPa，拉伸模量為1 900～2 100 MPa.

1.1.1 苧麻纖維的脫膠

由于本實(shí)驗(yàn)需要幾種不同脫膠率的苧麻纖維，所以經(jīng)多次脫膠試驗(yàn)[12]，得到4種苧麻纖維脫膠工藝，如表1所示.

表1 脫膠工藝單Tab.1 Degumming process sheet

1.1.2 苧麻纖維復(fù)合板的制備

為了便于分析含膠量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，本實(shí)驗(yàn)采用同一種RTM（樹脂傳遞模塑成型）工藝[12]和參數(shù)制板，制成麻纖維體積分?jǐn)?shù)為35%的苧麻纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料.具體工藝流程如下：

經(jīng)干燥、扯松后，稱取各脫膠率的苧麻纖維各121 g，手工在底面為360 mm×160 mm的自制紙盒內(nèi)鋪成纖維氈.模具涂脫模劑后，鋪入纖維氈、合模，50℃預(yù)熱2～3 h后，抽真空注膠.80℃固化2 h，120℃固化1 h，冷卻脫模，得到苧麻復(fù)合材料板尺寸為360 mm×160 mm×4 mm，按照國標(biāo)進(jìn)行試樣制備和性能測試.

1.2 材料性能測試

1.2.1 苧麻纖維拉伸及摩擦性能測試

苧麻纖維拉伸性能的測試參照GB/T5886-1986苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法，測試儀器采用江蘇太倉紡織儀器廠生產(chǎn)的YG001A型纖維電子強(qiáng)力儀.

苧麻纖維摩擦性能的測試儀器為常州第二紡織機(jī)械有限公司生產(chǎn)的Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀，張力夾為200 mg，金屬輥的轉(zhuǎn)速為30 r/min.每根纖維測試3次取平均，每種纖維測試6根.

1.2.2 苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能的測試

不同脫膠率苧麻纖維復(fù)合材料的拉伸、壓縮、剪切、彎曲性能的測試均利用日本島津公司生產(chǎn)的島津萬能試驗(yàn)儀進(jìn)行測試，最大載荷為250 kN，測試細(xì)節(jié)分別參照GB1447-2005、GB1448-2005、GB1449-2005和JC/T773-2010.

2 結(jié)果及分析

2.1 苧麻纖維性能分析

2.1.1 不同脫膠率苧麻SEM形貌圖

利用掃描電鏡觀察纖維表面形態(tài)，測量儀器為日立臺式掃描電子顯微鏡TM-1000，不同脫膠率的苧麻纖維縱面、截面形態(tài)圖如圖1、圖2所示.

圖1 麻纖維縱向形態(tài)Fig.1 Longitudinal morphology of ramie fiber

圖2 麻纖維截面形態(tài)Fig.2 Cross section morphology of ramie fiber

由圖1可見，經(jīng)化學(xué)脫膠后，不同脫膠率苧麻纖維的纖維表面有明顯差異：手撕原麻的縱表面明顯有膠質(zhì)的存在，發(fā)現(xiàn)膠粘現(xiàn)象嚴(yán)重，隨著脫膠率的增大，苧麻表面的膠質(zhì)明顯減少，但隨著脫膠率增大纖維表面的溝壑明顯增多.

由圖2（a）明顯可見，苧麻纖維粘結(jié)成為束纖維，由于纖維太細(xì)，無法手工分離.而圖2（b）中的麻纖維截面周圍不光滑，膠質(zhì)毛刺比較多.圖2（c）中苧麻纖維的腰圓形明顯，但邊緣部的毛刺比圖2（b）中細(xì)小.圖2（d）中的苧麻纖維腰圓形明顯且邊緣較光滑.各圖中苧麻纖維的腰圓形明顯，但是由于截面制作是剪切得到的，中腔被擠壓成小縫，苧麻中腔無法很好地表現(xiàn)出來.

2.1.2 苧麻纖維拉伸性能

苧麻纖維是天然纖維中性能比較優(yōu)良的一種纖維，不同脫膠率的苧麻纖維也表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，但總體還是表現(xiàn)出了拉伸強(qiáng)度高而斷裂伸長率低的特點(diǎn)，4種不同脫膠率苧麻纖維的實(shí)測結(jié)果見表2.

表2 4種脫膠率苧麻纖維的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of four kinds DLR fiber

由表2可知，苧麻纖維的斷裂強(qiáng)度隨著苧麻纖維脫膠率的增大而減小，這主要是由于麻纖維在化學(xué)脫膠過程中，隨著脫膠試劑用量的增加，纖維被損傷的程度越來越嚴(yán)重.而斷裂伸長率則表現(xiàn)出不同，手撕原麻的斷裂伸長率最小，之后隨著麻纖維脫膠率的增大也呈現(xiàn)出減小的趨勢.原因主要是手撕原麻中果膠等雜質(zhì)的包覆比較嚴(yán)重，其脆性比較大.但當(dāng)包覆減少之后，纖維的性質(zhì)占主導(dǎo)地位，隨著脫膠程度的增加，纖維的強(qiáng)度降低，從而影響纖維斷裂伸長率的逐漸減小. 2.1.3 苧麻纖維摩擦性能

苧麻纖維表面有許多微細(xì)溝槽和麻膠或殘余麻膠，使得苧麻表面粗糙.在復(fù)合材料中，苧麻纖維的摩擦性能是影響復(fù)合材料內(nèi)部粘結(jié)能力的一個重要指標(biāo).4種不同脫膠苧麻纖維的摩擦因數(shù)見表3.

表3 4種脫膠苧麻纖維的摩擦因數(shù)Tab.3 Friction coefficients of four kinds DLR fiber

由表3可知，苧麻纖維的動摩擦因數(shù)隨著脫膠率的增大而表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢.苧麻纖維的動摩擦主要是受纖維表面的粗糙程度影響的，苧麻纖維表面具有較多的橫節(jié)和毛茸等，具有一定的粗糙度，因而當(dāng)纖維為全脫膠時，纖維間的摩擦系數(shù)特別大.當(dāng)苧麻纖維處于未脫膠時，纖維表面幾乎全被膠質(zhì)包圍，但是表面溝壑比較少，其粗糙度很小，所以手撕原麻的動摩擦因數(shù)最小.但是隨著脫膠率的增大，苧麻纖維表面的比表面積增大，導(dǎo)致纖維的動摩擦因數(shù)增大.而且當(dāng)纖維基本不含膠質(zhì)時，纖維表面本身的溝壑又占主導(dǎo)地位，從而保證了纖維的摩擦性能.而且隨著纖維表面覆蓋物的增加，特別是脂類物質(zhì)增加時動摩擦性能自然會減小.綜合可知，苧麻纖維的動摩擦系數(shù)隨著纖維脫膠率的增大而增大.

2.2 脫膠率對苧麻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

測得4種脫膠率苧麻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能，如表4所示.

表4 苧麻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of composites

2.2.1 對復(fù)合材料拉伸性能的影響

復(fù)合材料的拉伸變形過程包括4個階段：首先是纖維和基體的彈性變形，然后是纖維保持彈性變形而基體開始發(fā)生非彈性變形，接著纖維與基體均發(fā)生非彈性變形，最后纖維斷裂且復(fù)合材料整體斷裂.所以，復(fù)合材料的拉伸性能主要取決于纖維與基體的界面結(jié)合力，以及纖維基體各自的拉伸性能.圖3所示為各脫膠率麻纖維復(fù)合材料拉伸斷裂后的斷面圖.

圖3 復(fù)合材料拉伸斷面圖Fig.3 Tensile fracture pictures of composites

由圖3（a）可見，手撕只能將麻纖維分成小束，纖維仍然粘結(jié)在一起，拉伸斷裂后纖維呈束狀抽出.圖3（b）中纖維雖也未能完全分散，但分散性比手撕原麻好.圖3（a）、（b）中復(fù)合材料中纖維與基體粘結(jié)分裂首先造成了材料的應(yīng)力集中，然后再是纖維本身的斷裂導(dǎo)致材料的完全破壞.而圖3（c）、（d）中纖維在基體中的分散均勻性較好，復(fù)合材料在發(fā)生斷裂時，纖維抽拔出基體與纖維的斷裂基本同時發(fā)生，兩圖比較可知精干麻的纖維抽拔根數(shù)多于脫膠率為70%的復(fù)合材料.

由表4可以看出，脫膠率為40%和0%的纖維復(fù)合材料拉伸應(yīng)力平均低于脫膠率為70%和100%，易達(dá)到破壞狀態(tài).手撕原麻復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力略高于脫膠率為40%，一方面是由于手撕原麻未進(jìn)行堿脫膠，苧麻原麻纖維的力學(xué)性能未被破壞，其纖維斷裂強(qiáng)度為最高，而40%脫膠率麻纖維的力學(xué)性能已經(jīng)有所破壞，并且手撕原麻在基體中以束纖維的形式存在，所以原麻復(fù)合材料的拉伸性能優(yōu)于脫膠率為40%的復(fù)合材料；另一方面是由于脫膠率為0%～40%時，膠質(zhì)的存在對復(fù)合材料拉伸性能的影響基本相當(dāng)，復(fù)合材料的拉伸性能主要決定于纖維的拉伸性能.脫膠率為70%和100%時的拉伸應(yīng)力基本相當(dāng)，主要是由于脫膠率對復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影響差距，正好被纖維的力學(xué)性能的差異所抵消.總的來說，纖維脫膠率和纖維力學(xué)性能共同影響著苧麻纖維復(fù)合材料的拉伸性能，且當(dāng)苧麻纖維脫膠率為70%時，其復(fù)合材料的拉伸性能最優(yōu).

2.2.2 對復(fù)合材料壓縮性能的影響

本文中復(fù)合板中的纖維分布是雜亂無章的，復(fù)合材料在承受壓縮載荷時，纖維所承受的載荷既有縱向載荷又有橫向載荷.所以復(fù)合材料的壓縮破壞通常是由于橫向拉伸應(yīng)變超過了復(fù)合材料的橫向變形能力極限，纖維與樹脂的膠粘破壞共同導(dǎo)致界面上產(chǎn)生裂紋.圖4所示為復(fù)合材料壓縮裂紋放大圖。

由圖4可知，圖4（a）中的纖維與樹脂的膠粘性很差，受壓后材料松散性很厲害，裂紋毛刺很多，壓縮破壞來源于樹脂與纖維的膠粘破壞；圖4（b）中的裂紋為線性，且毛刺和大塊松散現(xiàn)象有所減少，這說明樹脂與纖維的粘結(jié)性比脫膠率為0%的復(fù)合材料明顯提高，纖維與樹脂的界面性能有所提高；圖4（c）中裂紋處大塊的纖維與樹脂松散現(xiàn)象緩和，但仍存在纖維抽拔現(xiàn)象；圖4（d）中的裂紋相比圖（a）、（b）、（c），裂紋線整齊，毛刺鋸齒現(xiàn)在均無.所以，隨著苧麻纖維脫膠率的增大，復(fù)合材料中纖維與樹脂的界面膠粘能力增強(qiáng)，裂紋的纖維抽拔逐漸減小.

圖4 復(fù)合材料壓縮裂紋放大圖Fig.4 Compression crack pictures of composites

由表4中的數(shù)據(jù)可知，苧麻纖維復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力大小為：脫膠率100%>70%≈40%>0%.這種趨勢與纖維的摩擦性能相似，說明纖維的摩擦性能是影響其復(fù)合材料的重要因素.脫膠率為0%的纖維基本被果膠包覆，纖維與樹脂只能間斷性粘結(jié)，麻膠質(zhì)與樹脂的粘結(jié)占主要部分，而膠質(zhì)的粘結(jié)能力差，使得復(fù)合材料在受到壓縮作用力時易產(chǎn)生麻膠質(zhì)與樹脂的破裂，使得應(yīng)力集中，發(fā)生壓縮破壞.當(dāng)含膠量為100%時，纖維基本處于全脫膠狀態(tài)，并且堿對纖維表面也有一定的微處理，纖維與樹脂之間的結(jié)合能力相比較好，此時復(fù)合材料的壓縮性能最好.但當(dāng)脫膠率為70%～40%時，壓縮應(yīng)力基本保持不變，而圖4中（b）、（c）的裂紋很相似，麻膠質(zhì)和裸露纖維間接性與樹脂粘結(jié)，纖維與樹脂的結(jié)合能力相當(dāng).

2.2.3 對復(fù)合材料剪切性能的影響

本實(shí)驗(yàn)利用短梁法測定復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，測量方法與彎曲性能的三點(diǎn)加載方法相似，然而相比測定彎曲應(yīng)力，采用更小的跨厚比以增加剪切應(yīng)力的水平，使試樣產(chǎn)生層間剪切失效.

如表4中的剪切強(qiáng)度，其大小隨著苧麻纖維脫膠率的增大而增大，在脫膠率為0%～70%時，復(fù)合材料的剪切性能增速較慢，但當(dāng)脫膠率處于70%～100%時，增速提高.經(jīng)分析可知，由于復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度一部分依賴于樹脂基體的剪切強(qiáng)度，另一部分依賴于界面的抗剪切能力.4種試樣的樹脂基體都是環(huán)氧樹脂，決定其剪切強(qiáng)度大小的主要因素就是界面的抗剪切能力.脫膠率為100%的苧麻精干麻纖維的表面已經(jīng)經(jīng)過了微表面改性，其抗剪切能力明顯強(qiáng)于其他脫膠率纖維.特別的，脫膠率為0%的手撕原麻未收到破壞，力學(xué)性能優(yōu)于40%，從而使得手撕原麻復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度優(yōu)于脫膠率為40%時.所以，苧麻纖維的性能、脫膠率及纖維與基體界面性能綜合影響了苧麻纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度.

2.2.4 對復(fù)合材料彎曲性能的影響

根據(jù)三點(diǎn)彎原理，苧麻纖維復(fù)合材料在受載荷時，分為3部分[13]：首先是試樣的上表面受到壓縮載荷，下表面受到拉伸載荷，還有層間受到剪切載荷.可以說三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度能很好的反應(yīng)出苧麻纖維復(fù)合材料的綜合性能.圖5所示為麻纖維復(fù)合材料的彎曲斷面SEM圖.

圖5 復(fù)合材料彎曲斷面圖Fig.5 Fracture diagram of composites’flexural failure

比較可知，圖5（a）、（b）中斷口處有明顯的鋸齒狀裂紋，抽拔出的纖維呈束狀.圖5（a）中的束纖維集聚現(xiàn)象明顯，分散性較差，斷口呈片狀斷裂.圖5（b）中雖有纖維束存在，但分散性優(yōu)于圖5（a）.圖5（c）、（d）中的抽拔纖維分散較均勻，且纖維的斷口趨于直線，切斷面處的斷裂纖維較整齊.

結(jié)合表4，彎曲強(qiáng)度大小是：脫膠率70%＞100%＞40%＞0%.脫膠率為0%的手撕原麻分布不均，且其表面的膠質(zhì)最多，所以手撕原麻的彎曲強(qiáng)度最小；脫膠率為70%時的分散性、均勻度和界面粘結(jié)性能較優(yōu)，其彎曲性能也達(dá)到了最佳水平；而精干麻和脫膠率為40%的彎曲強(qiáng)度接近，雖然精干麻的表面性能優(yōu)于脫膠率40%，但其麻纖維拉伸性能比脫膠率為40%時差.在苧麻脫膠率為100%和40%的復(fù)合材料彎曲破壞過程中，先是精干麻復(fù)合材料試樣上表面承受的壓縮載荷大于脫膠率為40%時，而脫膠率為40%的復(fù)合材料試樣下表面中的纖維承受的拉伸載荷大于100%時，所以纖維與樹脂的界面性能和纖維的性能共同決定了兩者的性能基本保持不變.

3 結(jié)論

本文從苧麻纖維脫膠率的角度，分析了不同脫膠率對苧麻纖維及其復(fù)合材料性能的影響.

（1）苧麻纖維的脫膠率對纖維的斷裂強(qiáng)力及表面摩擦性能有顯著影響，隨著脫膠率的增大，斷裂強(qiáng)力和動摩擦因數(shù)都逐步增加，化學(xué)脫膠方法對苧麻纖維的損傷較大.

（2）相同條件下，苧麻纖維復(fù)合材料板材的拉伸應(yīng)力在脫膠率為70%時達(dá)到最大，并且脫膠率0%和40%以及100%與70%纖維復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力相差不大；壓縮性能和剪切性能都隨著纖維脫膠率的增大有小幅度增強(qiáng)；彎曲性能在脫膠率為70%時達(dá)到最佳.總體可知，苧麻纖維復(fù)合材料的性能在纖維脫膠率為70%時能夠達(dá)到最優(yōu)狀態(tài).

（3）相比純樹脂材料，苧麻纖維復(fù)合材料的力性能均有所提高，但是苧麻纖維的優(yōu)良性能仍不能得到充分發(fā)揮.所以，還需對苧麻纖維的性能進(jìn)行優(yōu)化或?qū)w維脫膠、復(fù)合材料制備等工藝進(jìn)行改進(jìn).

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Influence of degumming loss rate on property of ramie fiber composites

GU Xi，CHENG Ling，WANG Xin-miao
（Devision of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Four kinds of ramie fibers under different states of degumming are chosen.They are raw ramie fiber,40% degumming loss(DL)fiber,70%DL fiber and 100%DL fiber(completely degumming fiber).The basic properties of those four kinds of ramie fibers are tested and discussed.Then the composites were made by RTM process with those fibers and epoxy resin.An instron testing system was used for mechanical testing of these composites.The results show that when the DLR(degumming loss rate)of ramie fiber is 70%,the composite′s tensile and flexural property are best.The compression performance and shear performance of composites are better with the increase of DLR.In general,DLR of ramie fiber made a significant influence on the property of those fiber and composites.When the DLR is 70%,the ramie fiber composites show the best mechanical properties.

ramie fiber；degumming loss rate；composites；mechanical properties

TB332；TS123.2

A

1671-024X（2014）01-0005-05

2013-10-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11072175）

谷 茜（1989—），女，碩士研究生.

成 玲（1968—），女，教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail:chengling@tjpu.edu.cn