摘  要：為開發(fā)可自然降解的膜材料以取代傳統(tǒng)塑料膜產(chǎn)品，將黃麻落麻纖維梳理成網(wǎng)與淀粉基塑料膜熱壓制備復(fù)合膜；為進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，將劍麻作為加筋結(jié)構(gòu)制成加筋麻纖維復(fù)合膜。探究了黃麻網(wǎng)層數(shù)、劍麻網(wǎng)面密度、劍麻網(wǎng)與黃麻網(wǎng)的結(jié)合方式以及劍麻預(yù)加張力對(duì)復(fù)合膜力學(xué)

性能的影響。結(jié)果表明：復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力隨著劍麻網(wǎng)面密度的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)劍麻網(wǎng)面密度為8g/m2時(shí)，復(fù)合膜力學(xué)性能較好。當(dāng)黃麻網(wǎng)層數(shù)為2層，且將1層劍麻網(wǎng)鋪放在2層黃麻網(wǎng)之上時(shí)，復(fù)合膜的性能較好。隨著劍麻預(yù)加張力的增加，復(fù)合膜力學(xué)性能下降，當(dāng)劍麻自然伸直時(shí)復(fù)合膜力學(xué)性能較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：黃麻落麻纖維；劍麻；麻纖維復(fù)合膜；加筋結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

傳統(tǒng)石油基塑料膜制品因質(zhì)輕價(jià)廉、使用方便而廣泛應(yīng)用于日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但其廢棄物在自然環(huán)境中難以降解，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。為解決傳統(tǒng)塑料膜帶來的環(huán)境問題，開發(fā)可自然降解的膜材料是一種行之有效的方法。目前市場(chǎng)上取代傳統(tǒng)塑料膜的產(chǎn)品主要是采用非織造技術(shù)生產(chǎn)的非織造布，但使用的纖維原料是滌綸或聚烯類等難以生物降解的纖維，污染問題沒有得到緩解[1]。天然黃麻纖維因可自然降解且力學(xué)性能優(yōu)良[2]，成為紡織加工的主要纖維原料之一。由于黃麻纖維在紡織生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的落麻較多，而黃麻落麻纖維的強(qiáng)力相對(duì)較高且價(jià)廉[3]，若能用作非織造加工原料，制備完全降解的麻纖維膜材料，不失為利用落麻纖維的一種好方法[4]。落麻纖維應(yīng)用于非織造纖維膜，不僅可以充分利用和節(jié)約纖維資源，提高落麻的附加值，而且為非織造纖維膜提供了一種可自然降解的纖維原料[5]。為此，本研究以黃麻落麻纖維為原料，采用非織造的方法，利用高溫下熔融的淀粉基塑料膜將纖維黏合，制得黃麻纖維復(fù)合膜。

黃麻落麻纖維長度相對(duì)較短，纖維的抱合纏結(jié)性能及成網(wǎng)性能相對(duì)較差，因而對(duì)復(fù)合膜成品強(qiáng)力提出了更高要求。為提高黃麻落麻纖維復(fù)合膜的強(qiáng)力，可借鑒一些復(fù)合材料和工程領(lǐng)域中高強(qiáng)纖維材料增強(qiáng)的方法[6]，將力學(xué)性能優(yōu)異的纖維材料夾襯于纖維網(wǎng)中，得到加筋黃麻纖維復(fù)合膜。何建江在滌綸長絲網(wǎng)上放置了縱橫向隔距不同的DTY滌綸長絲網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)加筋后材料的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力都增大，而且絲網(wǎng)隔距越小，強(qiáng)力增幅越大[7]。高丙文等為提高黃麻纖維復(fù)合膜強(qiáng)力，將苧麻絲束均勻地內(nèi)襯于黃麻纖維網(wǎng)中，麻纖維復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度都得到提高[8]。劍麻纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能且可自然降解，可作為加筋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于麻纖維復(fù)合膜中，以增強(qiáng)膜材料。本研究將劍麻長纖維排列成網(wǎng)，與黃麻落麻纖維網(wǎng)、淀粉基塑料膜熱壓，制得加筋麻纖維復(fù)合膜，通過其結(jié)構(gòu)方面的研究，以制備出力學(xué)性能優(yōu)良的麻纖維復(fù)合膜。

1試驗(yàn)部分

1.1主要原料

黃麻落麻纖維由郴州湘南麻業(yè)有限公司提供。劍麻由廣東省東方劍麻集團(tuán)有限公司提供。淀粉基塑料膜由安徽林漢塑業(yè)有限公司提供，主要成分為改性玉米淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）和高密度聚乙烯（HDPE），薄膜厚度0.02mm，面密度12.67g/m2，縱向、橫向斷裂強(qiáng)力分別為8.98N和6.10N。兩種麻纖維主要性能如表1。

1.2主要儀器設(shè)備

LLY-06E型電子單纖維強(qiáng)力儀，TRJ160型梳理機(jī)，XLB型平板硫化機(jī)，YG141N型數(shù)字式織物厚度儀，YG026MB型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)。

1.3麻纖維復(fù)合膜的制備

取適量經(jīng)過開松、除雜后的黃麻落麻纖維，將其均勻鋪放在梳理機(jī)上，經(jīng)2道梳理后得到一定面密度的黃麻網(wǎng)，將劍麻長纖維均勻排列成一定面密度的劍麻網(wǎng)，然后將黃麻網(wǎng)、劍麻網(wǎng)和淀粉基塑料膜按照設(shè)計(jì)的疊放方式通過平板硫化機(jī)，在140℃、6MPa下熱壓180s制得麻纖維復(fù)合膜。

在制備復(fù)合膜時(shí)，兩側(cè)均為一層淀粉基塑料膜，即“淀粉基塑料膜/麻纖維網(wǎng)/淀粉基塑料膜”結(jié)構(gòu)，在后續(xù)討論中淀粉基塑料膜省略不寫。在表示麻纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，黃麻纖維網(wǎng)層簡稱為“黃”，劍麻纖維網(wǎng)層簡稱為“劍”，纖維網(wǎng)層之間用“/”連接。例如兩層黃麻纖維網(wǎng)夾一層劍麻纖維網(wǎng)，則用“黃/劍/黃”表示。

1.4麻纖維復(fù)合膜性能測(cè)試

麻纖維復(fù)合膜在應(yīng)用中受到拉伸、撕扯、頂破等作用，因而本研究評(píng)價(jià)其力學(xué)性能時(shí)選用斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力，具體測(cè)試方法如下。

參照GB/T24218.3—2010《紡織品非織造布試驗(yàn)方法第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定（條樣法）》測(cè)試麻纖維復(fù)合膜的拉伸斷裂強(qiáng)力，試樣寬度50mm，隔距長度100mm，拉伸速度100mm/min，縱向、橫向各測(cè)試5個(gè)試樣，結(jié)果各取其平均值。

參照GB/T3917.3—2009《紡織品織物撕破性能第3部分：梯形試樣撕破強(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試麻纖維復(fù)合膜的撕破強(qiáng)力，試樣尺寸75mm×150mm，兩夾鉗間距離25mm，拉伸速度100mm/min，縱向、橫向各測(cè)試5個(gè)試樣，結(jié)果各取其平均值。

參照GB/T24218.5—2016《紡織品非織造布試驗(yàn)方法第5部分：耐機(jī)械穿透性的測(cè)定（鋼球頂破法）》測(cè)試麻纖維復(fù)合膜的頂破強(qiáng)力，試樣直徑130mm，鋼球頂桿移動(dòng)速度300mm/min，測(cè)試5個(gè)試樣，結(jié)果取其平均值。

2結(jié)果與討論

2.1黃麻網(wǎng)層數(shù)對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

黃麻網(wǎng)作為復(fù)合膜的基體，直接影響復(fù)合膜力學(xué)性能。為了避免復(fù)合膜弱環(huán)的出現(xiàn)，要求黃麻纖維分散均勻。為了改善纖維分散的均勻性，本研究采用纖維網(wǎng)多層鋪設(shè)，探究黃麻網(wǎng)層數(shù)對(duì)麻纖維復(fù)合膜力學(xué)性能的影響。

將總面密度60g/m2的黃麻網(wǎng)分別采用1層、2層、3層鋪設(shè)后，置于面密度4g/m2的兩塊保持自然狀態(tài)的劍麻纖維網(wǎng)之間，然后與淀粉基塑料膜熱壓，制得劍/黃/劍結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果見圖1。

制備的復(fù)合膜主要用于包裝材料，在使用中主要受縱向提拉作用，故本研究在分析膜力學(xué)性能時(shí)以縱向?yàn)橹?，下同。由圖1(a)可以看出，黃麻網(wǎng)層數(shù)為2層時(shí)，除了復(fù)合膜的橫向撕破強(qiáng)力外，其縱橫向斷裂強(qiáng)力和縱向撕破強(qiáng)力均優(yōu)于1層和3層黃麻網(wǎng)的復(fù)合膜，其縱向斷裂強(qiáng)力和縱向撕破強(qiáng)力最大值分別為305.1N和27.34N。由圖1(b)可以看出，復(fù)合膜的頂破強(qiáng)力隨黃麻網(wǎng)層數(shù)的增加逐漸降低，但總體上變化較小。

纖維網(wǎng)均勻性是影響復(fù)合膜力學(xué)性能的重要因素，纖維網(wǎng)越均勻，復(fù)合膜性能越優(yōu)異。黃麻網(wǎng)層數(shù)為2層時(shí)，復(fù)合膜的縱橫向斷裂強(qiáng)力和縱向撕破強(qiáng)力較大，是因?yàn)辄S麻網(wǎng)層數(shù)為1層時(shí)，梳理纖維網(wǎng)時(shí)單位體積內(nèi)的纖維較多，纖維網(wǎng)的均勻性變差，各個(gè)區(qū)域面密度存在差異，復(fù)合膜在承受外力作用時(shí)弱環(huán)處先遭到破壞，使得復(fù)合膜力學(xué)性能變差。2層黃麻網(wǎng)疊放時(shí)，改善了纖維分布的均勻性，纖維網(wǎng)各部分密度趨于一致，使得復(fù)合膜力學(xué)性能得到有效提高。當(dāng)黃麻網(wǎng)層數(shù)為3層時(shí)，單層纖維網(wǎng)的面密度較小，纖維網(wǎng)較薄，在鋪網(wǎng)過程中易受到擾動(dòng)而使得纖維網(wǎng)有些區(qū)域面密度過大或過小，因此黃麻網(wǎng)層數(shù)雖增多，但纖維網(wǎng)均勻性下降，導(dǎo)致復(fù)合膜力學(xué)性能變差。此外，黃麻網(wǎng)層數(shù)多，纖維網(wǎng)蓬松，在同樣的熱壓壓力下會(huì)導(dǎo)致纖維網(wǎng)之間黏合不及1層和2層時(shí)緊密，在一定程度上使得復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力相較于2層黃麻網(wǎng)時(shí)下降。對(duì)于頂破強(qiáng)力，由于復(fù)合膜中襯入了劍麻纖維，對(duì)增大頂破強(qiáng)力起主要作用，因此黃麻網(wǎng)層數(shù)改變時(shí)，復(fù)合膜頂破強(qiáng)力變化不明顯。綜合考慮復(fù)合膜力學(xué)性能及制備的簡便性，選用2層黃麻網(wǎng)來制備麻纖維復(fù)合膜。

2.2劍麻網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

劍麻纖維主要用于加筋增強(qiáng)，其用量不僅影響復(fù)合膜力學(xué)性能，還決定原料成本，單位面積內(nèi)劍麻纖維的質(zhì)量用面密度來衡量。選取保持自然狀態(tài)且面密度分別為5g/m2、6g/m2、7g/m2、8g/m2、9g/m2的劍麻網(wǎng)與單層面密度為30g/m2的黃麻網(wǎng)以及淀粉基塑料膜熱壓，制得黃/劍/黃結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的測(cè)試結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，復(fù)合膜的縱向斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力均遠(yuǎn)大于橫向。當(dāng)劍麻網(wǎng)面密度由5g/m2增加到8g/m2時(shí)，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力逐漸增加，當(dāng)面密度為8g/m2時(shí)達(dá)最大值307.13N，之后隨著劍麻網(wǎng)面密度增加，縱向斷裂強(qiáng)力則下降。當(dāng)劍麻網(wǎng)面密度低于7g/m2時(shí)，隨著面密度的增加，復(fù)合膜縱向撕破強(qiáng)力增幅較大；當(dāng)面密度分別為7g/m2和8g/m2時(shí)，兩者的縱向撕破強(qiáng)力相當(dāng)；當(dāng)面密度為8g/m2時(shí)達(dá)到最大值32.78N，之后繼續(xù)增大劍麻網(wǎng)面密度時(shí)，縱向撕破強(qiáng)力開始降低。復(fù)合膜的頂破強(qiáng)力隨劍麻網(wǎng)面密度的增大也呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)面密度為8g/m2時(shí)，頂破強(qiáng)力達(dá)到最大值，為59.42N。

復(fù)合膜的縱向斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力遠(yuǎn)大于橫向，主要是因?yàn)閯β檠乜v向鋪放，起到很好的增強(qiáng)效果。當(dāng)復(fù)合膜受到載荷作用時(shí)，應(yīng)力傳遞和分配到劍麻纖維上，可有效提高膜的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力。此外，黃麻纖維網(wǎng)中纖維也主要沿縱向分布，縱向承力纖維多，因此強(qiáng)力較高。隨著劍麻網(wǎng)面密度的增加，單位體積內(nèi)劍麻纖維增加，更多纖維可以承擔(dān)外力作用，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力逐漸增大。但劍麻網(wǎng)的面密度再繼續(xù)增大時(shí)，復(fù)合膜的強(qiáng)力下降，主要是因?yàn)閯β楹窟^高，在熱壓過程中劍麻纖維接觸到起黏合作用的淀粉基塑料的量相應(yīng)減少，劍麻纖維與黃麻纖維之間的黏合效果變差，使得復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力下降。復(fù)合膜撕破強(qiáng)力與纖維強(qiáng)力和撕裂三角區(qū)大小密切相關(guān)。劍麻網(wǎng)面密度增大時(shí)，承力的劍麻增多，撕破強(qiáng)力增大；當(dāng)劍麻網(wǎng)面密度再繼續(xù)增加時(shí)，黃麻與劍麻糾纏抱合更為緊密，纖維之間摩擦力變大，撕裂三角區(qū)變小，導(dǎo)致撕破強(qiáng)力降低。此外，劍麻纖維較為粗硬，當(dāng)其含量過高時(shí)，會(huì)使得復(fù)合膜韌性變差，撕裂時(shí)三角區(qū)變小，撕破強(qiáng)力下降。纖維強(qiáng)力及纖維間黏合點(diǎn)強(qiáng)度是影響復(fù)合膜頂破強(qiáng)力的關(guān)鍵因素，當(dāng)劍麻過多纖維間無法牢固黏合時(shí)，復(fù)合膜頂破強(qiáng)力下降。綜合考慮復(fù)合膜力學(xué)性能及原料成本，劍麻網(wǎng)面密度為8g/m2時(shí)較合適。

2.3劍麻網(wǎng)與黃麻網(wǎng)的結(jié)合方式對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

劍麻網(wǎng)作為復(fù)合膜的加筋結(jié)構(gòu)，與黃麻網(wǎng)的結(jié)合方式發(fā)生變化時(shí)，得到的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)亦不同，進(jìn)而影響復(fù)合膜力學(xué)性能。本研究通過改變劍麻網(wǎng)層數(shù)和其在纖維網(wǎng)中位置，研究劍麻網(wǎng)與黃麻網(wǎng)的結(jié)合方式對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響，以得到較優(yōu)結(jié)構(gòu)的纖維網(wǎng)。取2層黃麻網(wǎng)與保持自然狀態(tài)的劍麻網(wǎng)，改變劍麻網(wǎng)與黃麻網(wǎng)的結(jié)合方式，然后與淀粉基塑料膜熱壓，制得劍/黃/黃、劍/黃/黃/劍、黃/劍/黃、劍/黃/劍/黃等4種結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，其中，黃麻網(wǎng)和劍麻網(wǎng)的總面密度分別為60g/m2和8g/m2。復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，劍麻網(wǎng)鋪放在黃麻網(wǎng)外側(cè)時(shí)，即在劍/黃/黃、劍/黃/黃/劍結(jié)構(gòu)中，復(fù)合膜除了橫向撕破強(qiáng)力略低外，其他各項(xiàng)力學(xué)性能均是劍/黃/黃結(jié)構(gòu)復(fù)合膜較好，其縱向斷裂強(qiáng)力、縱向撕破強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力分別為318.71N、28.96N、59.72N。而對(duì)于劍/黃/黃結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜力學(xué)性能較優(yōu)的原因，尚待進(jìn)一步分析。當(dāng)劍麻網(wǎng)夾襯在黃麻網(wǎng)中時(shí)，即在黃/劍/黃、劍/黃/劍/黃中，后者的縱向斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力優(yōu)于前者，撕破強(qiáng)力比前者小。在劍/黃/劍/黃的結(jié)構(gòu)中，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力和縱向撕破強(qiáng)力以及頂破強(qiáng)力分別為333.96N、25.74N、62.48N，此時(shí)劍麻網(wǎng)分為2層，黃麻網(wǎng)和劍麻網(wǎng)交替鋪放，黃麻纖維可與劍麻更好的抱合纏結(jié)，纖維之間抱合力增強(qiáng)，熔融的淀粉基塑料膜將二者牢固黏合，有利于復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力的提高；由于纖維間摩擦力增大，撕裂三角區(qū)變小，復(fù)合膜撕破強(qiáng)力下降。

綜合來看，4種結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜中，劍/黃/黃、劍/黃/劍/黃的力學(xué)性能總體相對(duì)較好，而劍/黃/黃結(jié)構(gòu)的縱向撕破強(qiáng)力優(yōu)于劍/黃/劍/黃結(jié)構(gòu)，其縱向斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力也只是略低于劍/黃/劍/黃結(jié)構(gòu)，而且在實(shí)際生產(chǎn)中，可簡化生產(chǎn)劍/黃/黃結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。因此將劍/黃/黃作為纖維網(wǎng)較優(yōu)結(jié)構(gòu)，即將1層劍麻網(wǎng)鋪放在2層黃麻網(wǎng)一側(cè)。

2.4劍麻預(yù)加張力對(duì)復(fù)合膜拉伸性能的影響

由于黃麻纖維和劍麻長纖維在外力作用下的伸長存在差異，復(fù)合膜在應(yīng)用時(shí)若兩種纖維不能同時(shí)受力，則劍麻的增強(qiáng)作用得不到有效發(fā)揮，不利于復(fù)合膜力學(xué)性能的改善。為此，本研究通過對(duì)劍麻纖維預(yù)加張力，探究不同預(yù)加張力對(duì)復(fù)合膜拉伸性能的影響。選取面密度8g/m2劍麻網(wǎng)和單層面密度30g/m2黃麻網(wǎng)，劍麻纖維分別施加0N、10N、20N預(yù)加張力，與淀粉基塑料膜熱壓后制得劍/黃/黃結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，膜的斷裂強(qiáng)力和伸長率見圖4。

從圖4可以看出，隨著劍麻預(yù)加張力的增大，復(fù)合膜的縱橫向斷裂強(qiáng)力均逐漸降低，且縱向斷裂強(qiáng)力減少較多，由最初的314.26N降至254.83N。復(fù)合膜的縱橫向斷裂伸長率隨著預(yù)加張力的增大而呈先增大后減小的趨勢(shì)。

對(duì)劍麻預(yù)加張力后，纖維束中纖維伸直度提高，韌性變差，伸長能力降低，復(fù)合膜受拉伸作用時(shí)劍麻纖維先于黃麻纖維受力，導(dǎo)致復(fù)合膜的拉伸斷裂強(qiáng)力相較于未對(duì)劍麻施加預(yù)加張力時(shí)低。預(yù)加張力越大，劍麻纖維的應(yīng)力應(yīng)變性能越差，劍麻的增強(qiáng)作用進(jìn)一步減弱，因此復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力逐漸降低。劍麻預(yù)加張力增大，劍麻纖維的彈性下降，使得復(fù)合膜的斷裂伸長率下降，且張力越大，復(fù)合膜伸長率降低越多。因此，不對(duì)劍麻施加預(yù)加張力，使其保持自然伸直狀態(tài)以制備力學(xué)性能較優(yōu)的麻纖維復(fù)合膜。

3結(jié)論

（1）黃麻網(wǎng)層數(shù)影響復(fù)合膜力學(xué)性能，當(dāng)黃麻網(wǎng)層數(shù)為2層時(shí)，復(fù)合膜力學(xué)性能較優(yōu)。

（2）劍麻網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜的力學(xué)性能有較大影響，劍麻網(wǎng)面密度為8g/m2時(shí)，復(fù)合膜整體力學(xué)性能較優(yōu)。

（3）復(fù)合膜中劍麻網(wǎng)與黃麻網(wǎng)結(jié)合方式對(duì)其力學(xué)性能也有較大影響，考慮復(fù)合膜力學(xué)性能及實(shí)際生產(chǎn)簡便性，優(yōu)先選用劍/黃/黃作為復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。

（4）對(duì)劍麻預(yù)加張力會(huì)影響復(fù)合膜力學(xué)性能，隨著預(yù)加張力的增加，復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力下降，當(dāng)劍麻自然伸直時(shí)（不施加預(yù)加張力），復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力最大。

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文章摘自：陳曉平，張容嘉，張燦等.加筋麻纖維復(fù)合膜的制備及力學(xué)性能分析[J/OL].棉紡織技術(shù)：1-6[2023-03-16].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1132.ts.20230213.1307.008.html..