李宛鑫,石大為,郭 棟

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 輕工與紡織學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

醫(yī)用夾板是用于固定骨骼的一種外固定器,有著悠久的發(fā)展歷史,其材料種類也不斷發(fā)生變化[1-2]。從最初的木制材料到后來的石膏,再到現(xiàn)代使用的高分子復合材料,性能也越來越優(yōu)良[3-4]。因此尋找一種經(jīng)濟環(huán)保型的新型材料,天然植物纖維成為最佳選擇。胡麻作為紡織纖維材料有著強力大、穩(wěn)定性好、透氣性好、抗菌性好、綠色可降解、成本低等優(yōu)勢。石大為等對胡麻纖維脫膠工藝進行研究[5];方培培等對苧麻纖維復合材料醫(yī)用夾板進行研究[6]。從原料到用途綜合考慮,胡麻纖維復合材料醫(yī)用夾板是可實現(xiàn)、可操作的。

利用胡麻纖維分別與環(huán)氧樹脂、聚乳酸通過真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)和熱壓成型工藝,制作出纖維含量分別為10%、20%、30%,尺寸大小為50 cm×50 cm 的胡麻/環(huán)氧樹脂復合材料試樣(FER)和胡麻/聚乳酸復合材料試樣(FP),并對其進行拉伸、彎曲、壓縮3種力學性能的測試。研究有著開拓性的意義和前景,也是醫(yī)用夾板發(fā)展的必然趨勢[7-8],符合綠色紡織的理念,可用于醫(yī)用夾板,具有安全性和有效性。

1 胡麻纖維脫膠

試驗采用生物-化學聯(lián)合脫膠技術(shù),利用果膠酶分解胡麻纖維中大部分膠質(zhì),再用化學方法去除剩余部分膠質(zhì)[9-10],使胡麻單纖維達到可紡要求,從而滿足胡麻纖維復合材料醫(yī)用夾板的要求。既保留胡麻纖維的優(yōu)良性能,又滿足胡麻纖維在復合材料中的使用要求而得到精干麻[11]。

1.1 材料

果膠酶、半纖維素酶、氫氧化鈉、過氧化氫、硫酸、JFC滲透劑、硅酸鈉、冰醋酸、亞硫酸氫鈉、三聚磷酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉、胡麻原纖(內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市)。

1.2 試驗儀器

水浴鍋、酸度計、電子分析天平、纖維電子強力儀、烘箱、電子顯微鏡。

1.3 工藝流程

取樣→預水煮→生物脫膠→浸酸→水洗→打纖→堿煮→水洗→烘干→麻纖維。

先將胡麻烘干,取5 cm 長度的胡麻原纖,稱6份,重量為30 g;放入90 ℃的恒溫水浴鍋,煮60 min先將水溶性膠質(zhì)除掉;浴比1∶30、溫度50 ℃條件下,加入果膠酶(40 g/L)、漆酶(10 g/L)繼續(xù)處理3 h;浸入濃度為2 g/L、浴比1∶50、溫度75 ℃、煮1.5 h;水洗6次,去除表面殘留;經(jīng)過打纖,使纖維束中的纖維得到分散;加壓堿煮,氫氧化鈉8.0 g/L、三聚磷酸鈉1.5 g/L、亞硫酸氫鈉4.0 g/L,然后加入去離子水配成溶液,最后滴入JFC滲透劑0.8 g/L,在90 ℃的恒溫水浴鍋中,浴比1∶50,煮2 h;水洗6次,去除表面殘留;烘干,最終得到精干麻。

1.4 脫膠率

根據(jù)GB/T 5889—1986 測定其含水率、殘膠率,結(jié)果見表1。

表1 胡麻脫膠的含水率和殘膠率

試驗中胡麻的平均含水率為6.87%,平均殘膠率為2.90%,優(yōu)化后的工藝效果顯著,為后續(xù)胡麻纖維復合材料醫(yī)用夾板做了更優(yōu)越的準備。

1.5 單纖維力學性能

參照國家標準GB/T 5886—1986[11]對6 組胡麻單纖維斷裂強度及斷裂伸長率進行測定,測試胡麻纖維斷裂強度并求出平均值、方差。測得脫膠前的胡麻纖維以及脫膠后胡麻纖維的力學性能指標,見表2。

表2 胡麻纖維力學性能指標

從表2中得出,原麻纖維與精干麻纖維的基本性能存在著較大差異,原麻的單纖斷裂強力比精干麻多出約1 倍,原麻單纖的斷裂強度約是精干麻的1.40倍;原麻斷裂強度方差為0.03,精干麻斷裂強度方差為0.02。但胡麻纖維精干麻的斷裂伸長率高于原麻,達到胡麻纖維的可紡要求,這是由于原麻纖維和精干麻纖維的膠質(zhì)含量不同所引起的。

1.6 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

胡麻脫膠的目的是為了去除胡麻纖維表面的果膠等膠質(zhì),使用場發(fā)射掃描電子鏡來觀察胡麻纖維的縱形態(tài)結(jié)構(gòu)。圖1為脫膠前的胡麻纖維,表面具有很厚的一層膠質(zhì),將胡麻纖維緊密地包裹、粘連在一起致使纖維的分散性差,而且膠質(zhì)的分布不均勻,存在很多毛刺。圖2為脫膠后的胡麻纖維形態(tài),清晰地看到纖維表面比較平整光潔。纖維表面沒有了膠質(zhì)的覆蓋,且后表面的溝壑也顯現(xiàn)出來,改善了胡麻纖維的外貌形態(tài),提高復合材料中增強體的力學性能。

圖1 脫膠前的胡麻纖維形態(tài)

圖2 脫膠后的胡麻纖維形態(tài)

2 醫(yī)用夾板

2.1 試驗材料

胡麻精干麻纖維、No.1-692-2A 環(huán)氧樹脂、No.1-692-2B固化劑、Ingeo4032D 型聚乳酸樹脂。

2.2 試驗儀器

DSOP-02型開松機、DSCA-01型梳棉機、50 cm×50 cm 的鋼化玻璃板模具、CRVPRO6型真空泵、DGF-4AB型高溫烘箱、精密電子萬能試驗機。

2.3 工藝流程與參數(shù)

胡麻纖維網(wǎng)刺針密度為50針刺/cm2,針刺道數(shù)1道,針深5 mm。環(huán)氧樹脂通過VARTM 在溫度30℃、壓力20 MPa、時間3 h條件下成型,聚乳酸通過熱壓成型在溫度180℃、壓力20 MPa、時間3 h條件下成型,胡麻纖維復合材料醫(yī)用夾板工藝流程如圖3所示。

圖3 醫(yī)用夾板復合材料工藝流程

2.4 復合材料力學性能測試

拉伸性能按照GB/T 1447—2005[17]標準進行測試;彎曲性能按照GB/T 1449—2005[18]標準進行測試;壓縮性能按照GB/T 3856—2005[19]標準進行測試,為減小誤差,每組測試5個試樣,求其平均值。復合材料拉伸、彎曲、壓縮性能測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 復合材料拉伸、彎曲、壓縮性能測試數(shù)據(jù)

2.4.1 拉伸性能

胡麻纖維復合材料拉伸強度受胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)、試驗儀器夾頭、拉伸速率、端部加固等因素的影響,胡麻纖維復合材料拉伸性能實際反應了基體和增強體2種材料的浸潤性即胡麻纖維與環(huán)氧樹脂和聚乳酸的黏結(jié)效果[20],從而反映出FER、FP的延展性。從圖4可得出,在胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)相同的條件下,FER 的拉伸強度比FP的拉伸強度分別高5.25、4.5、9.23 MPa。FER 的拉伸強度在質(zhì)量分數(shù)為30%時,拉伸強度最大為34.76 MPa,此時環(huán)氧樹脂浸潤性減弱,兩者之間的黏結(jié)作用減小。由于胡麻纖維自身斷裂強度的影響,FER 的拉伸強度有所提高。FP 的拉伸強度在胡麻質(zhì)量分數(shù)為20%時,最大為27.50 MPa,此時胡麻纖維分布均勻而且與聚乳酸之間的浸潤黏結(jié)最充分;隨胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)增加會導致聚乳酸對纖維的浸潤受阻,進而影響FP復合材料的拉伸性能;當胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)在20%以下時,胡麻纖維與聚乳酸黏結(jié)度較好,基體的自身性質(zhì)占主要影響因素,FP拉伸強度較低[21]。

圖4 拉伸強度對比

2.4.2 彎曲性能

從圖5 可得出,隨胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)不斷增加,FER 的彎曲強度不斷增大,在纖維質(zhì)量為30%時,彎曲強度最大為79.39 MPa,FP的彎曲強度隨質(zhì)量分數(shù)的改變不大。原因是FER 是VARTM 成型,FP 是熱壓成型,FP在成型過程胡麻纖維有嚴重的聚集現(xiàn)象,基體與增強體之間的黏結(jié)能力較差,使復合材料板分層。

圖5 彎曲強度對比

2.4.3 壓縮性能

從圖6可得出,2種材料的壓縮性能差異較大?？傮w來說FER 的壓縮強度比FP 的壓縮強度大得多,即前者比后者的韌性大。FER 最大壓縮強度值為666.59 MPa,這是由于胡麻纖維自身結(jié)構(gòu)所影響,FP最大壓縮強度值為160.33 MPa。原因在于胡麻纖維較少時聚乳酸用量較大,浸潤性好,黏結(jié)作用好[22-23];當胡麻纖維較多時,胡麻纖維密度較大,顯現(xiàn)纖維聚集,浸潤性變差產(chǎn)生分層的現(xiàn)象,所以胡麻/聚乳酸復合材料壓縮性能變差。

圖6 壓縮強度對比

3 結(jié)果與討論

(1)胡麻脫膠采用生物-化學聯(lián)合脫膠,提高胡麻纖維的脫膠率,改善胡麻纖維表面結(jié)構(gòu),提高可紡性。

(2)從拉伸測試結(jié)果來看,2種復合材料拉伸性能較好,但總體胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)為30%時FER 試樣的拉伸性能最好。

(3)從彎曲測試結(jié)果來看,FER 復合材料的彎曲性能優(yōu)于FP復合材料的彎曲性能,30%含量的FER 試樣彎曲性能最好。

(4)從壓縮測試結(jié)果來看,FER 復合材料的壓縮性能優(yōu)于FP復合材料的壓縮性能,30%含量的胡麻/環(huán)氧樹脂試樣壓縮性能最好。

從胡麻纖維增強體原材料的制備,到FER、FE 的成型,進行了3種力學測試分析,探究了胡麻纖維復合材料作為醫(yī)用夾板在力學性能方面的可行性。纖維的質(zhì)量分數(shù)和不同樹脂作為變量,通過組內(nèi)和組間的對比與分析,總體上得出2種不同材料制得的復合材料夾板在力學性能上都滿足醫(yī)用夾板的使用條件,2 種材料各有優(yōu)勢,胡麻/環(huán)氧樹脂復合材料夾板的力學性能較優(yōu),胡麻/聚乳酸復合材料可降解且環(huán)保。試驗得出FER 的力學性能優(yōu)于FP材料的力學性能,FER 在纖維的質(zhì)量分數(shù)為30%時力學性能最優(yōu)。