摘 要：玄武巖纖維是一種可自然降解的高性能纖維.苧麻纖維作為一種天然纖維，其來源廣泛、再生能力強(qiáng)、成本低.以玄武巖織物、苧麻織物為增強(qiáng)體，以聚乳酸作為基體，通過模壓成型工藝制備了混雜復(fù)合材料，探討了熱壓時(shí)間、聚乳酸含量、鋪層方式對混雜復(fù)合材料拉伸性能的影響.結(jié)果表明：隨著熱壓時(shí)間的增加，非對稱鋪層R/B復(fù)合材料的拉伸性能先增后減，當(dāng)熱壓時(shí)間為25min、聚乳酸含量為70%時(shí)，混雜復(fù)合材料的拉伸性能最佳；苧麻織物處于芯層的B/R/B復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率均高于玄武巖織物處于芯層的R/B/R復(fù)合材料，因此在制備混雜復(fù)合材料時(shí)宜將強(qiáng)力弱的材料鋪在芯層.
關(guān)鍵詞：玄武巖織物；苧麻織物；聚乳酸；鋪層方式
玄武巖纖維是以天然的玄武巖為原材料，經(jīng)過1450～1500℃的高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維[1].玄武巖纖維的制備工藝決定了在生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，對環(huán)境的污染小，而且其產(chǎn)品在廢棄后可以在環(huán)境中自然降解，是典型的環(huán)境友好型材料.玄武巖纖維還具有耐高溫、耐腐蝕、耐紫外線的優(yōu)良特性，其增強(qiáng)型復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路養(yǎng)護(hù)纖維封層、短切瀝青增強(qiáng)、體育器材制造、墻外保溫系統(tǒng)等領(lǐng)域.目前關(guān)于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究主要包括纖維的增強(qiáng)機(jī)理、改性處理、纖維含量[2，3，4，5，6]對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.針對玄武巖織物類復(fù)合材料的研究尚少，且現(xiàn)有研究主要集中在玄武巖織物的可紡可織性方面[7，8，9，10].
苧麻纖維來源廣泛、再生能力強(qiáng)、成本低，苧麻復(fù)合材料具有吸潮、隔音、減震、降噪等特點(diǎn)，目前關(guān)于苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究主要集中在纖維的表面處理、成型工藝及性能研究等方面.李鑫等[11]利用堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理以及堿+硅烷偶聯(lián)劑聯(lián)合處理分別對苧麻織物表面進(jìn)行化學(xué)改性，研究改性處理對復(fù)合材料的層間剪切性能和吸水性能的影響.陳旭等[12]研究了苧麻織物增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的光老化性能.展江湖等[13]研究了纖維含量對苧麻聚乳酸復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，并揭示了纖維增強(qiáng)機(jī)理.張旭鋒等[14]對比分析了苧麻單向織物、平紋、斜紋、苧麻/玻璃纖維混編織物四種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能的差異.
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，單一的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)需求.為此，多種纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料受到了越來越多的關(guān)注.Saidane等[15]利用聲發(fā)射技術(shù)評估了玻纖-亞麻纖維混雜復(fù)合材料的破壞機(jī)制，即：基質(zhì)開裂、纖維基質(zhì)剝離和纖維失效.Cihan等[16]研究了亞麻纖維編織布和E級(jí)玻纖混雜復(fù)合材料的機(jī)械動(dòng)態(tài)性能.梁行[17]研究了纖維鋪層結(jié)構(gòu)、纖維百分比、纖維鋪層角度等變量對劍麻-玄武巖纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料性能的影響.阮芳濤等[18]研究了疊層順序?qū)厥仗祭w維/苧麻混雜增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度的影響.
本實(shí)驗(yàn)選用了玄武巖織物、苧麻織物、聚乳酸三種可降解材料，通過模壓成型工藝制備了復(fù)合材料，探討了熱壓時(shí)間、聚乳酸含量、鋪層方式對混雜復(fù)合材料拉伸性能的影響.苧麻纖維強(qiáng)度低且吸水性較強(qiáng)，通過加入玄武巖纖維來提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和防水性，而玄武巖纖維為脆性材料，通過加入苧麻纖維能提高復(fù)合材料的韌性.
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1材料與儀器
材料：聚乳酸，密度1.24g/cm3；苧麻織物，平紋，單位面積質(zhì)量為140g/m2；玄武巖織物，四枚斜紋，單位面積質(zhì)量為330g/m2.
儀器：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9420A（上海一恒科技有限公司）；程序控制壓片機(jī)SY-6210-B（東莞市世研精密儀器有限公司）；織物強(qiáng)力儀YG(B)026HC-500（萊州元茂儀器有限公司）；視頻顯微鏡SPX-200H（深圳市星明光學(xué)儀器有限公司）.
1.2聚乳酸基體的準(zhǔn)備
將聚乳酸粒料置于80℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥2h.均勻鋪放在厚度1mm的壓片機(jī)模具中，制成聚乳酸薄板.其工藝條件為：上下層板溫度195℃，預(yù)壓壓力0.6MPa，預(yù)壓時(shí)間4min，熱壓壓力7MPa，熱壓時(shí)間4min，排氣5次，停頓時(shí)間4s，排氣加壓時(shí)間4s，上下區(qū)冷卻時(shí)間10min.
1.3復(fù)合材料的制備
將玄武巖織物、苧麻織物均剪裁成尺寸為20cm×20cm的樣品，放在80℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥2h，去除水分.
復(fù)合材料的制備采取模壓成型工藝，主要包括鋪層、模壓兩部分.本實(shí)驗(yàn)中織物增強(qiáng)體采取的鋪層方式有三種：非對稱鋪層R/B、對稱鋪層R/B/R、對稱鋪層B/R/B，其中R為苧麻織物（ramiefabric)，B為玄武巖織物（basaltfabric），織物與織物經(jīng)向一致，且織物之間均夾持著聚乳酸（PLA）薄板，如圖1所示.
圖1 織物鋪層方式
鋪層好的材料置于壓片機(jī)模具中，模具表面均鋪設(shè)一層油布，以便于后續(xù)順利脫模.模壓工藝參數(shù)為：上下層板溫度180℃，預(yù)壓壓力0.6MPa，預(yù)壓時(shí)間10min，熱壓壓力4MPa，熱壓時(shí)間為20min，排氣5次，停頓時(shí)間4s，排氣加壓時(shí)間4s，上下區(qū)冷卻時(shí)間10min.
1.4拉伸性能測試
按照《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T1447-2005）將制備好的復(fù)合材料裁剪成啞鈴形.采用YG(B)026HC-500型強(qiáng)力儀測試材料的拉伸性能，每組測試有效數(shù)據(jù)不少于5個(gè)，取其平均值.測試在室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)速度為5mm/min.
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1熱壓時(shí)間對復(fù)合材料拉伸性能的影響
為探究熱壓時(shí)間對復(fù)合材料拉伸性能的影響，對苧麻/玄武巖（R/B）織物非對稱鋪層復(fù)合材料設(shè)置了四種熱壓時(shí)間，其拉伸性能測試結(jié)果如圖2所示.熱壓20min后，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率均先增后減，當(dāng)熱壓時(shí)間超過30min后，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力急劇下降.
圖2 熱壓時(shí)間對復(fù)合材料拉伸性能的影響
不同熱壓時(shí)間下復(fù)合材料的表面形貌如圖3所示.熱壓時(shí)間為25min時(shí)，復(fù)合材料表面較平整，聚乳酸薄板熱熔后能充分與織物混合，玄武巖織物面的外觀如圖3(a）所示.當(dāng)熱壓時(shí)間為35min時(shí)，玄武巖織物面外觀仍平整，表面無明顯氣泡，但苧麻織物面出現(xiàn)嚴(yán)重的氣泡現(xiàn)象，且有裂紋，如圖3(b）所示.
圖3 非對稱鋪層復(fù)合材料的表面形貌
2.2聚乳酸含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響
為探究聚乳酸含量對苧麻/玄武巖（R/B）織物非對稱鋪層復(fù)合材料拉伸性能的影響，通過調(diào)整聚乳酸母粒的質(zhì)量制得四種含量的復(fù)合材料試樣，其拉伸性能測試結(jié)果如圖4所示.純聚乳酸薄板經(jīng)受拉伸時(shí)其斷裂強(qiáng)力僅為539N，隨著織物的混雜，聚乳酸含量降低，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率均明顯提升，這說明玄武巖織物、苧麻織物的混雜起到了增強(qiáng)的作用.當(dāng)聚乳酸含量分別為60%、70%、80%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)力先增后減.這可能是因?yàn)榫廴樗岷枯^低時(shí)，受熱熔融的聚乳酸不能完全包覆纖維，導(dǎo)致部分纖維處于裸露狀態(tài).當(dāng)聚乳酸含量過高時(shí)，復(fù)合材料經(jīng)受拉伸時(shí)主要受力對象為聚乳酸，纖維的增強(qiáng)作用無顯著變化.
圖4 聚乳酸含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響
2.3鋪層方式對復(fù)合材料拉伸性能的影響
在熱壓時(shí)間為25min，聚乳酸含量為70%時(shí)，兩種對稱鋪層方式復(fù)合材料的拉伸性能測試結(jié)果如表1所示.苧麻織物處于芯層的B/R/B復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率均高于玄武巖織物處于芯層的R/B/R復(fù)合材料.
表1 兩種對稱鋪層復(fù)合材料拉伸性能
在非對稱鋪層R/B復(fù)合材料的拉伸實(shí)驗(yàn)中，苧麻織物層先于玄武巖織物層發(fā)生破壞并出現(xiàn)裂紋，苧麻織物層的破壞導(dǎo)致周圍材料應(yīng)力的重新分布，一部分應(yīng)力會(huì)傳遞到玄武巖織物層.在對稱鋪層B/R/B中，苧麻織物處于芯層，織物正反兩面均被拉伸強(qiáng)度較高的玄武巖織物包覆，當(dāng)苧麻織物受拉伸發(fā)生破壞后，兩面玄武巖織物的存在可以較好地控制裂紋的擴(kuò)大；在對稱鋪層R/B/R中，苧麻織物處于表層，織物僅一面被玄武巖織物包覆，應(yīng)力傳輸效率相對較低.因此，玄武巖織物含量較高的B/R/B復(fù)合材料的拉伸性能較R/B/R復(fù)合材料好.
3結(jié)論
以可降解材料玄武巖織物、苧麻織物為增強(qiáng)體，以聚乳酸為基體，采取模壓成型工藝制備了混雜復(fù)合材料，探討了熱壓時(shí)間、聚乳酸含量、鋪層方式對混雜復(fù)合材料拉伸性能的影響.
(1）隨著熱壓時(shí)間的增加，玄武巖/苧麻混雜復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率均先增后減，當(dāng)熱壓時(shí)間為25min時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能最佳.而當(dāng)熱壓時(shí)間超過30min后，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力急劇下降，苧麻織物層出現(xiàn)大量氣泡且有裂紋.
(2）純聚乳酸薄板拉伸性能較差，玄武巖織物、苧麻織物的混雜使復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長率均明顯提升.當(dāng)聚乳酸含量為70%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能最佳.
(3）苧麻織物處于芯層的B/R/B復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率均高于玄武巖織物處于芯層的R/B/R復(fù)合材料，因此在制備混雜復(fù)合材料時(shí)宜將強(qiáng)力弱的材料鋪在芯層.
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文章摘自：譚冬宜，楊邵蓉，曾雙穗等.玄武巖/苧麻增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的拉伸性能研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2023，33(02)：62-66.DOI：10.15987/j.cnki.hgbjbz.2023.02.003.
