摘  要：為了探索紫外照射對(duì)PLA/黃麻層壓復(fù)合材料性能的影響，延長(zhǎng)復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命，采用模壓成型法和薄膜堆疊法制備PLA/黃麻層壓復(fù)合材料，研究紫外老化時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并對(duì)復(fù)合材料拉伸后的斷口形貌進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能均表現(xiàn)為先上升后下降，均在老化48h后達(dá)到最大，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量較未老化的復(fù)合材料分別提高了約19.29%、17.73%、23.49%和24.97%。這可能是由于在老化時(shí)間較短時(shí)，PLA分子鏈交聯(lián)占據(jù)主導(dǎo)作用，提高了界面粘結(jié)性。隨著老化時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，拉伸和彎曲性能開(kāi)始不斷下降，這可能是由于PLA分子鏈的老化斷裂開(kāi)始起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致界面粘結(jié)性下降。

關(guān)鍵詞：黃麻；PLA；復(fù)合材料；紫外老化；力學(xué)性能

 

引言

黃麻價(jià)格低廉，種植廣泛，產(chǎn)量較高^[1]，且具有良好的斷裂強(qiáng)度、耐熱性能、抗菌性能、可生物降解性以及可再生性等，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料增強(qiáng)體^[2,3,4]。

聚乳酸(PLA)的主要合成原料為乳酸^[5]，具有良好的生物相容性、生物可降解性和力學(xué)性能等，且安全無(wú)毒，但其也存在較脆、韌性差、抗沖擊性差等不足，限制了其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用^[6,7,8]。因此采用麻纖維作為增強(qiáng)體，有利于改善PLA的性能，制備的PLA/黃麻復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能和沖擊強(qiáng)度都一定程度的提高^[9,10]。

PLA/黃麻復(fù)合材料作為一種可生物降解的綠色復(fù)合材料，為復(fù)合材料的循環(huán)使用提供了可能性，因此近年來(lái)備受關(guān)注，在汽車、航空航天和建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用^[11,12]。目前對(duì)PLA/黃麻復(fù)合材料力學(xué)性能的研究很多：Fang等^[4]研究了成型溫度和加熱時(shí)間對(duì)PLA/黃麻層壓復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。在改性方面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了不同的改性處理對(duì)PLA/黃麻復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。張仁貴^[13]對(duì)黃麻進(jìn)行酸、堿以及偶聯(lián)劑處理；李明^[14]對(duì)黃麻進(jìn)行堿處理、表面硅烷處理以及用馬來(lái)酸酐接枝聚乳酸；孫旭鵬^[15]對(duì)黃麻進(jìn)行堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理以及二者聯(lián)合處理；Delgado-Aguilar等^[16]用次氯酸鈉漂白黃麻；Manral等^[17]用不同濃度的碳酸氫鈉處理黃麻。但目前在PLA/黃麻復(fù)合材料紫外老化方面的研究鮮有報(bào)道。

PLA/黃麻復(fù)合材料在使用過(guò)程中避免不了受到紫外照射，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能大幅下降，影響使用壽命。因此，探究PLA/黃麻復(fù)合材料紫外老化規(guī)律對(duì)其工程實(shí)際應(yīng)用具有重要意義^[12]。本文選用黃麻非織造材料作為增強(qiáng)體，PLA作為基體，采用熱壓法制備PLA/黃麻層壓復(fù)合材料。隨后對(duì)其進(jìn)行紫外光老化處理，探索紫外照射時(shí)長(zhǎng)對(duì)PLA/黃麻復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，分析復(fù)合材料的紫外老化機(jī)理。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：黃麻纖維針刺絮片（克重為222±2g/m2），購(gòu)自江西利風(fēng)麻業(yè)有限公司；聚乳酸（PLA;4032d;1.24g/cm3）購(gòu)自美國(guó)Nature Works公司。

儀器：DHG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠；YP10001型電子天平，上海上天精密儀器有限公司；HG-3621型手動(dòng)熱壓成型機(jī)，恒廣科技股份有限公司；ADJ230型帶鋸切割機(jī)，金華市脈拓工具有限公司；QUV/spray型QUV紫外光老化加速試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Q-lab公司；INSTRON3365型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；TM3030型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PLA薄膜的制備

將PLA顆粒在80℃的烘箱中干燥3小時(shí)，干燥后取10g左右均勻地放在兩層耐高溫布（聚四氟乙烯）之間，將耐高溫布放入硫化機(jī)的上下熱壓板之間，在190℃的溫度下制備PLA薄膜，在5MPa的壓力下保持3min，隨后在30MPa的壓力下保持1min，取出冷卻后，制得PLA薄膜（克重為267±2g/m2）。

1.2.2 PLA/黃麻層壓復(fù)合材料的制備

將PLA薄膜和黃麻纖維針刺絮片在80℃的烘箱中干燥3小時(shí)。采用薄膜疊加的方法，將兩層黃麻絮片平行排列在三層PLA薄膜之間，鋪疊好后用耐高溫布將其包裹?。ǚ乐筆LA粘住模具以致模具難以打開(kāi)），放入模具（150mm×150mm）中，隨后在硫化機(jī)上下熱壓板間進(jìn)行熱壓，模壓溫度為190℃。在5MPa的壓力下保持3h后，在模具中自然冷卻，冷卻后打開(kāi)模具，取出PLA/黃麻層壓復(fù)合材料。

1.2.3 PLA/黃麻層壓復(fù)合材料紫外老化處理

將切割好的PLA/黃麻層壓復(fù)合材料放入QUV紫外光老化加速試驗(yàn)機(jī)中，試驗(yàn)機(jī)采用UVA340燈管，輻照度為0.68W/m2，將試驗(yàn)機(jī)溫度設(shè)置為50℃，每隔24h取一次樣，共取五次樣。

1.3測(cè)試與表征

1.3.1拉伸性能測(cè)試

采用美國(guó)ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)（聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法）對(duì)紫外處理前后的PLA/黃麻層壓復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。將層壓板切割成尺寸為125mm×12.5mm的形狀，并在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以2mm/min的位移速率進(jìn)行拉伸測(cè)試。

1.3.2拉伸斷口形貌測(cè)試

通過(guò)臺(tái)式SEM(TM3030,日本日立公司）觀察紫外處理前后的PLA/黃麻層壓復(fù)合材料拉伸測(cè)試后的斷口形貌。對(duì)待測(cè)樣品首先進(jìn)行180s的噴金處理，隨后用場(chǎng)發(fā)射槍在3.0kV的加速電壓下對(duì)試樣進(jìn)行觀察。

1.3.3彎曲性能測(cè)試

根據(jù)GBT1449-2005標(biāo)準(zhǔn)（纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法）對(duì)紫外照射前后的復(fù)合材料樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試。將樣品切成尺寸為70mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)形狀，跨距為58mm，通過(guò)具有三點(diǎn)夾具的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以2mm/min的速度進(jìn)行彎曲測(cè)試。

試樣彎曲強(qiáng)度σf和彎曲應(yīng)變εf的計(jì)算公式如下：

  

式中：σf為彎曲強(qiáng)度，MPa;P為破壞載荷，N;L為跨距，mm;b為試樣寬度，mm;d為試樣厚度，mm；εf為彎曲應(yīng)變，mm/mm;D為試樣中心的最大撓度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料紫外老化前后的拉伸性能

圖1為紫外老化前后PLA/黃麻復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖以及拉伸強(qiáng)度和拉伸模量柱狀圖。從圖中可以看出，隨著紫外照射時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量均表現(xiàn)為先上升后下降。在老化48h內(nèi)，復(fù)合材料的拉伸性能呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，老化48h時(shí)達(dá)到最大，拉伸強(qiáng)度達(dá)到10.14MPa，比未經(jīng)紫外老化的樣品提高了約19.29%，拉伸模量達(dá)到1832.99MPa，比未經(jīng)紫外老化的樣品提高了約17.73%。老化48h后，復(fù)合材料的拉伸性能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在老化時(shí)間達(dá)到120h時(shí)，拉伸性能大幅度下降，拉伸強(qiáng)度為5.56MPa，比未老化的樣品下降了約34.59%，拉伸模量為753.24MPa，比未老化的樣品下降了約51.62%。

  

圖1 紫外老化前后PLA/黃麻復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖以及拉伸強(qiáng)度和拉伸模量柱狀圖

 

  

圖2 PLA/黃麻復(fù)合材料的紫外老化機(jī)理

 

圖2為PLA/黃麻復(fù)合材料的紫外老化機(jī)理。從圖2可以看出，復(fù)合材料紫外老化后拉伸性能呈現(xiàn)出先上升后下降的原因可能是，在紫外老化過(guò)程中，PLA同時(shí)發(fā)生分子鏈交聯(lián)和分子鏈斷裂，在老化48 h內(nèi)，鏈交聯(lián)發(fā)揮主要作用，使得PLA/黃麻復(fù)合材料的界面粘結(jié)性提高，因此復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量提高。隨紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，分子鏈斷裂開(kāi)始發(fā)揮主要作用，復(fù)合材料產(chǎn)生微裂紋，PLA發(fā)生降解脫落，復(fù)合材料的界面粘結(jié)性變差，導(dǎo)致其拉伸性能下降[18,19]。

2.2復(fù)合材料紫外老化前后的拉伸斷口形貌

圖3為紫外老化前后PLA/黃麻復(fù)合材料的拉伸斷口形貌圖，圖中（a）、（b）、（c）、（d）依次為未老化、老化24h、老化48h、老化120h的復(fù)合材料的拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，未老化、老化24 h和老化48 h的復(fù)合材料中黃麻纖維和基體間的粘結(jié)較好，被拉出的纖維長(zhǎng)度短，PLA基體中殘留的孔洞少，大部分黃麻纖維僅在發(fā)生斷口位置斷裂，總體上呈脆性斷裂，這表明PLA可以較好地滲入黃麻纖維間，黃麻纖維增強(qiáng)體與PLA基體的界面粘結(jié)性較好。而老化120h后，復(fù)合材料中的PLA大量降解脫落，黃麻纖維和PLA基體間的粘結(jié)性變差，導(dǎo)致大量黃麻纖維從基體中被拉出。

  

圖3 紫外老化前后PLA/黃麻復(fù)合材料的拉伸斷口形貌圖

2.3復(fù)合材料紫外老化前后的彎曲性能

圖4為紫外老化前后PLA/黃麻復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖以及彎曲強(qiáng)度和彎曲模量柱狀圖。從圖中可以看出，隨著紫外時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量均表現(xiàn)為先上升后下降。在老化48h內(nèi)，復(fù)合材料的彎曲性能呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，老化48h時(shí)達(dá)到最大，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到25.76MPa和4411.67MPa，比未經(jīng)紫外老化的樣品分別提高了約23.49%和24.97%。老化48h后，復(fù)合材料的彎曲性能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在老化時(shí)間達(dá)到120 h時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為17.45MPa和3146.86MPa，比未老化的樣品分別下降了約16.35%和10.86%。這種現(xiàn)象可能仍是由于PLA分子鏈的交聯(lián)和斷裂對(duì)復(fù)合材料界面粘結(jié)性的影響不同而引起的，在老化48h內(nèi)，PLA鏈交聯(lián)起主導(dǎo)作用，復(fù)合材料界面粘結(jié)性提高，導(dǎo)致彎曲性能提高，隨著紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，PLA分子鏈斷裂發(fā)揮主要作用，復(fù)合材料的界面粘結(jié)性下降，導(dǎo)致彎曲性能下降^[18,19]。

  

圖4 紫外老化前后PLA/黃麻復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖以及彎曲強(qiáng)度和彎曲模量柱狀圖

3結(jié)論

(1）隨著紫外老化時(shí)間的延長(zhǎng)，PLA/黃麻層壓復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。均在老化48h后達(dá)到最大，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量較未老化的復(fù)合材料分別提高了約19.29%和17.73%，而彎曲性能的提升幅度比拉伸性能大，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別提高了約23.49%和24.97%。

(2）紫外照射時(shí)間對(duì)PLA/黃麻層壓復(fù)合材料的界面粘結(jié)性有顯著影響，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料在老化48h內(nèi)，黃麻和PLA粘結(jié)較好，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能提高。而老化120h后，PLA和黃麻的粘結(jié)變差，大量黃麻纖維從基體中被拉出，復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅下降。

(3）如何利用PLA/黃麻層壓復(fù)合材料的紫外老化規(guī)律來(lái)優(yōu)化復(fù)合材料的制備方法，以延長(zhǎng)復(fù)合材料的使用壽命是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

 

參考文獻(xiàn)

[1]郭昌盛,林海濤,蔣芳.黃麻纖維的性能及其改性技術(shù)研究進(jìn)展[J].成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2017,34(01):210-214.

[2]寧軍霞,李佐深,凌新龍.黃麻纖維的性能及其改性技術(shù)研究進(jìn)展[J].紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2020,37(01):88-96.

[3]Hossen mm, Feng JY, Yuxiang Y, et al. Preparation and evaluation mechanical, chemical and thermal properties of hybrid jute and fibers reinforced bio-composites using poly-lactic acid and poly-caprolactone blends[J]. Materials Research Express,2020,7(2),025103.

[4]Fang CC, Zhang Y, Qi sy, et al. Characterization and analyses of degradable composites made with needlepunched jute nonwoven and polylactic acid(PLA)membrane[J].Cellulose, 2020,27(10):5971-5980.

[5]段久芳.天然高分子材料[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2016.110-114.

[6]孫輝,張恒源,咸玉龍,等.TiO2-Ag/聚乳酸納米復(fù)合纖維的制備及其抗菌性能[J].紡織學(xué)報(bào),2019,40(04):1-6.

[7]陳美玉,來(lái)侃,孫潤(rùn)軍,等.大麻/聚乳酸復(fù)合發(fā)泡材料的力學(xué)性能[J].紡織學(xué)報(bào),2016,37(01):28-34.

[8]余娟娟,劉淑強(qiáng),吳改紅,等.玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的制備及其拉伸斷裂性能[J].紡織學(xué)報(bào),2019,40(02):82-86.

[9]陳春暉,吉強(qiáng),許多,等.PLA/麻纖維復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2020,48(12):151-156.

[10]Ravi Theja Reddy S, Ratna Prasad AV, Ramanaiah K. Tensile and flexural properties of biodegradable jute fiber reinforced poly lactic acid composites[J].Materials Today:Proceedings,2021,44:917-921.

[11]Singh Jip,Singh S,Dhawan V.Influence of fiber volume fraction and curing temperature on mechanical properties of jute/PLA green composites[J]. Polymers&Polymer Composites,2020,28(4):273-284.

[12]劉成誠(chéng).PLA/黃麻多層混纖復(fù)合材料耐老化性能的研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2016.1-42.

[13]張仁貴.黃麻纖維PLA復(fù)合材料性能研究[D].青島:青島大學(xué),2011.37-42.

[14]李明.PLA/PBS/黃麻纖維復(fù)合材料的制備及其性能研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.15-42.

[15]孫旭鵬.汽車內(nèi)飾用黃麻纖維/聚乳酸復(fù)合板的制備及性能研究[D].上海:東華大學(xué),2019.13-23.

[16]Delgado-Aguilar M,Oliver-Ortega H,Mendez JA,et al.The role of lignin on the mechanical performance of polylactic acid and Chock for jute composites[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,116:299-304.

[17]Manral A,Kumar Bajpai P.Effect of chemical treatment on impact strength and dynamic thermal properties of Jute/PLA composites[J].Materials Today:Proceedings,2021,34:546-549.

[18]Mohamed Hf,Mourad Ahi,Barton Dc.UV irradiation and aging effects on nanoscale mechanical properties of ultra-high molecular weight polyethylene for biomedical implants[J].Plastics Rubber and Composites,2008,37(8):346-352.

[19]王曉寧,紫外、高低溫老化對(duì)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響[D].烏魯木齊:新疆大學(xué),2017.22-29.

 

文章摘自：鄒婷,宋雪旸,王萍.PLA/黃麻層壓復(fù)合材料的紫外老化性能[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào),2022,35(04):17-21.