1 引言

天然纖維具有生長周期短，可生物降解，質(zhì)輕價廉及密度小等特點。目前麻、竹類纖維已大量用作木材、玻璃纖維的替代品，增強聚合物其體。亞麻纖維主要產(chǎn)于我國北方，資源豐富，價格低廉。作為增強材料，其密度較完稅纖維小，而模量和拉伸強度與無機纖維相近；生長周期短，加工成本低，并且具有生物可降解性和可再生性，對環(huán)境無污染，適合作為復(fù)合材料的增強體。同時亞麻纖維復(fù)合材料可以廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、裝演等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

本文選用兩種亞麻纖維即經(jīng)漂白處理的亞麻纖維及未處理亞麻纖維作為原料，采用針刺的方法在同樣針刺條件下制備出亞麻針刺氈，與不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂復(fù)合制備出不同的復(fù)合材料板材。通過測試其力學(xué)性能，進(jìn)行掃描電鏡分析，比較不同增強體和基體構(gòu)成的復(fù)合材料的力學(xué)性能，并進(jìn)一步闡述破壞機理。

2        試驗

2．1        亞麻氈的制備

未處理亞麻纖維及漂白麻纖維加 5％的和毛水經(jīng)24h燜麻后，進(jìn)行開松、梳理成網(wǎng)。鋪網(wǎng)方式采用定重平行鋪網(wǎng)，定重在l000g/m²左右。針刺方向與鋪網(wǎng)方向一致。針刺密度約為35刺／cm²。表1為亞麻針刺氈的具體工藝參數(shù)。具體實驗方案如表2所示。

表1  亞麻針刺氈工藝參數(shù)

表2  對比實驗方案

2．2 聚酯復(fù)合材料板材的制備

利用真空輔助樹脂傳遞模塑法（VARTM）進(jìn)行亞麻針刺氈／聚酯復(fù)合材料的制備。真空輔助成型工藝只需一個單面的剛性模具，是一種新型的低成本的復(fù)合材料制件的成型技術(shù)。它是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，利用樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進(jìn)行固化，形成一定樹脂／纖維比例的工藝方法。 VARTM方法需要控制樹脂體系的粘度、反應(yīng)時間及輔助樹脂反應(yīng)的加熱時間和加熱的均勻性。實驗所用的樹脂配方如表3所示。

表3  樹脂配方（室溫下）

試驗流程為：準(zhǔn)備原料→清理模具→鋪放脫脂膜、亞麻針刺氈→封裝→抽真空、調(diào)配樹脂→樹脂吸注→固化→板材修整。分別制備未漂麻及漂白麻／聚酯復(fù)合材料板以供測試分析之用。

2．3        環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料板的制備

由于環(huán)氧樹脂高溫固化的特點，采用模壓法制作漂白麻刺氈／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板，要確保在樹脂粘度最低時施加壓力，此時樹脂流動性好，有利于纖維氈中的氣泡被流動的樹脂帶出，使樹脂在纖維氈中均勻地滲透。溫度也是關(guān)鍵因素，模壓溫度不能使樹脂基體的固化反應(yīng)過于激烈而導(dǎo)致溫度驟變，尤其不能造成局部反應(yīng)以免發(fā)生副反應(yīng)。

模壓使用YTD71－45A型塑料制品液壓機。實驗過程為：室溫下手糊浸潤纖維氈→放入壓機，零壓下60℃溫度保持1h℃→升溫至80℃，壓力5MPa， 30min→升溫至120℃，壓力5MPa，2h→繼續(xù)升溫至150℃，壓力5MPa， 30min→自然冷卻后脫膜。模壓溫度變化如圖1所示。所用環(huán)氧樹脂體系配方見表4。
圖1   模壓溫度變化

表4  環(huán)氧樹脂體系配方

3                    測試結(jié)果與討論

3．1 拉伸性能測試

參照GB1447－83拉伸性能實驗方法，在島津AG－250KNE萬能材料試驗機上進(jìn)行了板材的拉伸性能測試。試樣規(guī)格為200×25mm，厚度為3．00－5．40mm，夾持距離為100mm，加載速度為2mm／min。拉伸方向為平行于針刺氈鋪網(wǎng)方向（縱向）和垂直于針刺氈鋪網(wǎng)方向（橫向）。測試得到的典型載荷-位移曲線如圖2．3所示。

圖2  板材縱向拉伸載荷-位移

 
圖3  板材橫向拉伸載荷-位移

從圖2，3中可以看出，漂白麻作為增強體的復(fù)合材料板材拉伸性能好于未漂麻復(fù)合材料板材。這說明亞麻纖維經(jīng)過堿處理后，進(jìn)一步去除果膠，纖維表面結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，且多以單纖狀態(tài)存在，增加了與樹脂結(jié)合的機率，提高了復(fù)合材料板材的整體性，從而增強了板材的承載能力。圖2，3中的3號曲線即漂白麻／聚酯板材在發(fā)生斷裂時，位移最大，說明其斷裂伸長較大。圖中還可以看出曲線初始直線段幾乎重合。這說明各板材所表現(xiàn)出的彈性力學(xué)行為較接近。圖3中，2號曲線即漂白麻／環(huán)氧板材的強力明顯大于其它兩種，即漂白麻／環(huán)氧樹脂的橫向拉伸優(yōu)于其它兩種。

3．2        彎曲性能測試

參照 GB1449－83彎曲性能測試方法，在島津AG－25KNE萬能材料試驗機上進(jìn)行了板材的彎曲性能測試。測試方法為三點彎曲，試樣規(guī)格為80×15mm，厚度大于3mm，跨距取為60mm，加載速度為2mm／min。與拉伸測試相同，分別在縱、橫兩向進(jìn)行彎曲測試，測試結(jié)果見圖4，5。

圖4  板材縱向彎曲載荷-位移

圖4給出了不同工藝的板材縱向拉伸的載荷-移位曲線。從板材縱向彎曲載荷-移位曲線圖可以看出，漂白麻／環(huán)氧樹脂板材的斷裂載荷最大；未漂麻／聚酯板材的斷裂載荷最小。與拉伸性能相似，漂白麻／聚酯板材的強力值居中。

圖5  板材橫向彎曲載荷-位移

圖5是相同的漂白麻與不飽和聚酯及環(huán)氧樹脂復(fù)合形成的板材在彎曲測試中的載荷-位移曲線。從圖5中可以看出漂白麻／環(huán)氧樹脂板材（曲線1）的最大彎曲載荷運大于漂白麻／聚酯板材（曲線2）的最大彎曲載荷，曲線1初始直線段斜率較大，基本呈線性增加；曲線比較平緩斷裂位移較大。二者的差異主要是由于樹脂的差異及板材的制備方法所造成的。首先環(huán)氧樹脂本身的拉伸以及彎曲強度高于不飽和聚酯樹脂；其次亞麻與環(huán)氧樹脂的結(jié)合性較好，使其形成的復(fù)合材料板材力學(xué)性能好于亞麻／聚酯板材的力學(xué)性能。
4  板材拉伸斷口分析

復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于增強體的性能，還取決于兩種基體界面的結(jié)合情況。采用亞麻纖維針刺氈增強熱固性樹脂所得到的復(fù)合材料不同于勻質(zhì)的金屬、塑料等。從微觀上看，這種復(fù)合材料本身結(jié)構(gòu)就是復(fù)雜的，其骨架是亞麻纖維，基體是樹脂固化后形成的塑料。前者是纖維素纖維材料，后者是高分子材料。兩者在力學(xué)、熱學(xué)化學(xué)等性質(zhì)方面差異很大。由此而形成的結(jié)構(gòu)，其最終性能取決于兩種材料自身及兩者之問的表面粘結(jié)狀態(tài)。本文分析了亞麻纖維復(fù)合材料板材的微觀結(jié)構(gòu)。

圖6，7分別以漂白麻／聚酯復(fù)合材料及漂白麻／環(huán)氧復(fù)合材料拉伸斷面形貌。從圖中發(fā)現(xiàn)，纖維拔出了數(shù)量較多，但以環(huán)氧樹脂為基體的斷面上的樹脂與纖維脫粘的痕跡輕微，樹脂有明顯的拉伸狀。從圖6可以看出，亞麻纖維表現(xiàn)粘有顆粒狀不飽和樹脂，樹脂與纖維結(jié)合不夠牢固，拉伸斷裂過程中有樹脂的粉碎顆粒。圖7中樹脂表面較光滑，以層片狀包圍在亞麻纖維周圍，有韌性破壞的痕跡。

圖6  漂白麻／聚酯樹脂拉伸斷面

圖7  漂白麻／環(huán)氧樹酯拉伸斷面

圖8－10為不同亞麻纖維及樹脂的復(fù)合材料拉伸斷口形貌。從圖中的纖維斷面均可清楚地看到亞麻纖維橫截面細(xì)胞壁中的層狀輪紋形結(jié)構(gòu)及纖維與樹脂界面結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)。從圖8未漂麻／聚酯復(fù)合材料板拉伸斷口形貌可以看到亞麻纖維與樹脂結(jié)合處有縫隙，纖維周圍的樹脂斷面有撕裂的痕跡。

圖8  未漂麻／聚酯復(fù)合材料極拉伸斷口

圖9  漂白麻／聚酯復(fù)合材料板拉伸斷口

圖10  漂白麻／環(huán)氧復(fù)合材料板拉伸斷口

圖9是漂白麻／聚酯復(fù)合材料極拉伸斷口形貌，有纖維拔脫后留下的孔洞。圖10為漂白麻／環(huán)氧復(fù)合材料板拉伸斷口形貌。除樹脂有撕裂的痕跡外，還有基體與纖剝離后留下的纖維絲。這是樹脂和纖維在脫粘時，由于結(jié)合牢固而將纖維撕裂，與環(huán)氧樹脂基亞麻復(fù)合材料力學(xué)性能較優(yōu)的結(jié)論相吻合。

5 結(jié)語

使用不同增強材料和樹脂制備復(fù)合材料板材，經(jīng)性能測試得到如下結(jié)論：經(jīng)過堿處理的漂白麻纖維更易與樹脂結(jié)合；漂白麻／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板的拉伸、彎曲性能優(yōu)于未漂麻／聚酯復(fù)合材料板及漂白麻／聚酯復(fù)合材料板.