張鐳，張愛紅，王偉宏

（生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室（東北林業(yè)大學），哈爾濱 150040）

麻纖維除應用在紡織工業(yè)和麻質(zhì)纜繩外，還廣泛應用于復合材料領(lǐng)域。麻纖維具有成本低、質(zhì)量輕、天然、可再生等特點，可以部分取代玻璃纖維等合成纖維用于制備復合材料。天然麻纖維與樹脂復合不僅減少了廢棄塑料的環(huán)境污染，也降低了植物焚燒對空氣的污染［1］。天然麻纖維復合材料還具有密度小、耐沖擊、吸音隔熱性好、可回收等優(yōu)點［2］。

在天然纖維中，黃麻纖維硬度較高，且具有較高的比強度和比模量［3］，這為其在復合材料領(lǐng)域的應用提供了基礎(chǔ)。王國杰等［4］采用可變纖維注入技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當黃麻纖維質(zhì)量分數(shù)為15%、纖維長度為25 mm 時，黃麻纖維/聚氨酯復合材料的拉伸性能最好。張安定等［5］在制備黃麻纖維/聚丙烯復合材料時發(fā)現(xiàn)，黃麻纖維含量的增加或黃麻纖維長度的增加會使復合材料的強度和模量得到提高，而沖擊強度則會有所降低。張愛紅等［6］發(fā)現(xiàn)，陳放溫度和陳放時間是黃麻纖維/酚醛樹脂（PF）復合材料性能的重要影響因素。在40 ℃下陳放6.25 h 的黃麻纖維/PF 復合材料彎曲性能及沖擊強度均較高，且黃麻纖維與樹脂基體結(jié)合緊密。

工業(yè)用黃麻纖維的形態(tài)主要包括黃麻纖維、黃麻纖維束和黃麻纖維氈等［6］。其中，纖維氈由纖維經(jīng)過篩選、提取雜質(zhì)、烘干、梳理、鋪網(wǎng)、搓坯、密度處理、平整、二次密度處理、甩干、質(zhì)檢、烘干、定型、質(zhì)檢、入庫、出廠等工序制成，具有黏合性能好、空隙均勻等優(yōu)點。相比其他纖維形態(tài)，纖維氈可以為施膠提供良好條件。

酚醛樹脂廣泛用作涂料、膠黏劑、防腐材料和隔熱保溫材料等，在化工、航空航天及建筑等領(lǐng)域扮演重要角色［7］。酚醛樹脂具有諸多優(yōu)點，如耐高溫、黏接強度高、高殘?zhí)悸?、耐磨性強等，且成本低廉，具有其獨特的?yōu)勢［8］，是制備復合材料的常用基質(zhì)。黃麻本身顏色深，浸漬PF 樹脂后顏色更暗，缺乏美感，如可在復合材表面黏附一層單板，則可起到裝飾作用，實用性更強。

筆者以價格低廉的黃麻氈為原料，研究開發(fā)黃麻氈/PF 復合材，采用木質(zhì)單板進行表面裝飾，通過分析飾面前后的復合材料力學性能差異來研究新型復合材料的制備工藝，為天然纖維的有效利用提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

楊木（Populus eurameviacanacv.I?214）單板，規(guī)格250 mm×250 mm×0.6 mm，密度0.51 g/cm3，含水率8%～12%，產(chǎn)自江蘇宿遷。黃麻纖維氈，規(guī)格250 mm×250 mm×4 mm，密度0.2 g/cm3，含水率8%～12%，產(chǎn)自河南長葛。自制酚醛樹脂，固含量49%；氫氧化鈉，分析純，天津市福晨化學試劑廠。

1.2 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料的制備

1）取定量黃麻氈，將其置于盛滿2%質(zhì)量分數(shù)的NaOH 溶液的容器中浸泡2.5 h；然后使用蒸餾水沖洗至中性（使用pH 試紙貼于氈上測量酸堿性）；最后將黃麻氈置于103 ℃烘箱中使含水率降至8%～12%，備用。

2）取烘干后的黃麻氈，稱質(zhì)量；再將黃麻氈浸于PF 樹脂中15 min，施膠量（280±10）g/m2，刮除殘余樹脂，稱質(zhì)量；控制黃麻氈與所吸附樹脂質(zhì)量比分別為1∶9，2∶8，3∶7，4∶6；浸漬后的黃麻氈稱為黃麻氈預浸料。

3）將黃麻氈預浸料在40 ℃下晾置6.25 h。

4）未飾面黃麻氈/PF 復合材料的制備：將晾置后的預浸料放入熱壓機（SY01 型，上海板機裝備技術(shù)有限公司）。熱壓參數(shù)為：溫度150 ℃，壓力2.5 MPa，時間5 min。制得規(guī)格250 mm×250 mm×4 mm 的未飾面黃麻氈/PF 復合材料。

5）飾面黃麻氈/PF 復合材料的制備：將預浸料的上下表面都覆上單板，形成單板?預浸料?單板結(jié)構(gòu)的板坯。熱壓參數(shù)同上。制得規(guī)格250 mm×250 mm×5 mm 的單板飾面黃麻氈/PF 復合材料。

1.3 性能測試

1.3.1 復合材料密度測定

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能測試方法》，將板材鋸成50 mm×50 mm試件，稱質(zhì)量及長、寬、厚，分別測量3 次取均值。以質(zhì)量和體積的比值計算復合材料密度。

1.3.2 復合材料沖擊韌性測定

參照GB/T 1451—2005《纖維增強塑料簡支梁式?jīng)_擊韌性試驗方法》測定沖擊韌性。使用簡支梁沖擊試驗機（JC?5 型，承德精密試驗機有限公司），沖擊速度為2.9 m/s，沖擊能量為2 J，沖擊試件規(guī)格80 mm×10 mm。

1.3.3 復合材料彎曲性能測定

參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，使用微機控制電子萬能力學試驗機（CMT5504 型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司），以三點彎曲方式測定彎曲性能。彎曲速度2 mm/min，跨距64 mm，試件規(guī)格80 mm×15 mm。

1.3.4 飾面復合材料表面膠合強度測定

參照GB/T 17657—2013 標準，采用方法2 測定表面膠合強度。加載速度5 mm/min，試件規(guī)格50 mm×50 mm。

1.3.5 層積復合材料浸漬剝離性能測定

參照GB/T 17657—2013 測定浸漬剝離性能。進行I 類浸漬剝離試驗，試件規(guī)格75 mm×75 mm，記錄單板與基材之間的剝離分層長度。

1.3.6 微觀形貌觀察

使用Quanta 200F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，美國FEI 公司）觀察試件的斷面形態(tài)，將斷裂的試件在斷口處鋸掉2 mm，對斷面進行噴金鍍膜，置于樣品室觀察復合材料的樹脂浸漬及界面結(jié)合情況。加速電壓為12.5 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 密 度

飾面及未飾面黃麻氈/PF 復合材料的密度見表1。隨著黃麻氈所占比例的增加，黃麻氈/PF 復合材料的密度逐漸提高。當纖維和樹脂質(zhì)量比為1∶9時未飾面板的密度較低，這是因為樹脂含量高，在陳放過程中損失的水分更多，導致質(zhì)量下降較多，密度降低。飾面復合材料的密度為0.55～0.64 g/cm3，大于未飾面板的0.48～0.58 g/cm3，表明單板的引入提高了整體密度。

表1 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料密度Table 1 Finished and unfinished jute fiber/PF composites density

2.2 沖擊韌性

飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料的沖擊韌性見圖1。由圖1 可知，黃麻纖維含量的增加能夠明顯改善復合材料的沖擊韌性［9］，這是因為酚醛樹脂本身較脆，而黃麻纖維具有很大的韌性。另外，黃麻纖維編織成黃麻氈形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后，樹脂可以更完全地滲透進入黃麻氈，兩者黏接后可以產(chǎn)生更大的黏接力，使得材料的沖擊韌性得到進一步提高。黃麻纖維越多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越豐富，越有助于提高沖擊韌性。

飾面后的復合材料沖擊韌性得到大幅度提升，這是由于單板與基材通過PF 樹脂黏接形成的多層結(jié)構(gòu)需要耗費更多的能量才能被破壞。樹脂含量越高，飾面復合材料的沖擊韌性提高幅度越大，如麻氈與PF 樹脂質(zhì)量比為1∶9時，其沖擊韌性是未飾面時的8 倍，而麻氈與PF 樹脂質(zhì)量比為4∶6時，提高幅度降到4.9 倍，這是因為表層單板作用的發(fā)揮程度有所差異。樹脂含量高，則單板與黃麻氈/PF 復合材料基材黏貼更牢固，需要耗費更多能量才能破壞膠合。

圖1 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料的沖擊韌性Fig.1 Impact toughness of finished and unfinished jute fiber/PF composites

2.3 抗彎性能

飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料的抗彎性能見圖2。由圖2 可知，隨著纖維含量的增加，飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料的抗彎性能都逐漸加強。經(jīng)單板飾面后復合材料的抗彎性能明顯提高，原因是單板具有一定抗拉強度，當材料彎曲變形時，表層單板承擔了較多拉應力來抵抗變形。因此，單板飾面可起到提高抗彎性能的作用［10］。與沖擊韌性相同，樹脂比例越高，表層單板貼面越牢固，飾面后板材抗彎性能提高幅度越大。

圖2 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復合材料的抗彎性能Fig.2 Bending resistance of finished and unfinished jute fiber/PF composites

2.4 表面膠合強度

飾面后的復合材料表面膠合強度隨纖維含量的增加而逐漸降低。當纖維與樹脂質(zhì)量比為1∶9時，樹脂較多，對貼面單板的浸潤較充分，表面膠合強度達到最高值2.50 MPa。隨著纖維用量的提高，滯留在表面纖維上的PF 樹脂相應減少，與表層單板的黏接力有所下降；纖維與樹脂質(zhì)量比為2∶8，3∶7，4∶6的復合材料表面膠合強度均分別為1.20，1.00 和0.61 MPa，高于0.6 MPa，符合裝飾單板貼面人造板表面膠合強度的要求。

2.5 浸漬剝離性能

不同纖維含量對復合材料耐水性的影響如表2 所示。隨著樹脂含量的減少，膠層剝離長度增大。這表明貼面的耐水性與基材中的樹脂含量密切相關(guān)，原因是基材中樹脂含量高則為黏接表層單板提供了足夠厚的膠層［11］。參照GB/T 15104—2006《裝飾單板貼面人造板》中裝飾單板貼面人造板物理力學性能的要求，試件貼面的每一膠層的每一邊的剝離長度均不能高于25 mm。由表2 可知，本研究中的黃麻氈纖維質(zhì)量比在0.4 以內(nèi)時，貼面板都可以達到浸漬剝離的要求。

表2 單板貼面黃麻氈/PF 復合材料的浸漬剝離長度Table 2 Dip peeling length of veneer?finished jute fiber/PF composites

2.6 黃麻氈/PF 復合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3 黃麻氈/PF 復合材料的SEM 圖Fig.3 SEM images of jute fiber/PF composites

黃麻氈/PF 復合材料的斷面掃描電鏡圖見圖3。由圖3a 可以看到，在復合材料中單根柱狀纖維呈束狀結(jié)合形成纖維束［12］。從纖維束的橫截面中可以看到圓狀或橢圓狀的細胞腔。酚醛樹脂主要填充在纖維束之間，少量樹脂填充于纖維細胞腔。大量未被填充的細胞腔可以吸收更多的沖擊能量［13］。纖維越多，未填充的細胞腔孔隙越多，沖擊性能越好。樹脂與纖維之間的結(jié)合界面并未產(chǎn)生空隙，這可以保證結(jié)合界面有效地傳遞載荷［14］，從而提高復合材料的沖擊強度。

2.7 樹脂浸漬纖維情況及界面分析

纖維與樹脂質(zhì)量比為2∶8的復合材料纖維斷面微觀形貌見圖4a。由圖4a 可知，樹脂含量雖然較高，但仍可以看到圓形的未被樹脂填充的細胞腔。在單板飾面復合材料（圖4b）中，PF 樹脂滲透進單板細胞腔中，部分紋孔被PF 樹脂填充，但大部分仍呈孔隙狀態(tài)。

圖4 復合材料纖維斷面與飾面復合材料斷面圖Fig.4 Sectional view of composite fiber and cross section of finished composite

纖維與樹脂質(zhì)量比為4∶6的飾面復合材料的斷面微觀形貌見圖5。由圖5 可以看出，飾面單板與黃麻氈/PF 復合材料基材之間存在裂縫，表層與基材的界面結(jié)合不如樹脂含量高時的貼面板。這有助于吸收沖擊能量，但為水分的深入滲透提供了通道，因而其表面膠合強度所有下降［15］。

圖5 纖維與酚醛樹脂質(zhì)量比為4∶6時飾面復合材料斷面圖Fig.5 Sectional view of the finished composite when the ratio of fiber to PF resin was 4∶6

3 結(jié)論

1）隨著纖維含量的增加，黃麻氈/PF 復合材料的彎曲性能和沖擊韌性有所提高，纖維與樹脂質(zhì)量比為4∶6的黃麻氈/PF 復合材料彎曲性能最好（彎曲模量為3.03 GPa，彎曲強度為23 MPa）、沖擊強度最高（沖擊韌性為1.8 kJ/m2）；與未飾面復合材料相比，單板飾面復合材料的力學強度得到大幅度提高（彎曲模量為8 GPa，彎曲強度為70 MPa，沖擊韌性為8.9 kJ/m2），單板飾面的黃麻氈/PF 復合材料具有良好的裝飾性。

2）隨著纖維含量的增加，飾面黃麻氈/PF 復合材料的表面膠合強度有所下降，纖維與樹脂比例為1∶9，2∶8，3∶7，4∶6的飾面復合材料膠合強度分別為2.50，1.20，1.00 和0.61 MPa，均大于0.4 MPa。黃麻氈質(zhì)量比在40%以內(nèi)時浸漬剝離長度皆小于25 mm，達到國家標準要求。

3）通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，樹脂中存在未填充的細胞腔孔隙，提高了復合材料的沖擊性能；樹脂與纖維結(jié)合緊密，未填充到纖維內(nèi)部的樹脂均填充于纖維束之間。此外，一步飾面成型能夠使部分PF 樹脂滲入到單板中，提高了復合材料的力學性能。