不同成型工艺棕叶纤维/PHBV复合材料的力学性能

时间：2024-09-03

张毅，杨彬，赵文华

（1.浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000；2.浙江中正检测技术服务有限公司，浙江绍兴 312000）

天然纤维复合材料具有良好的发展前景，既能利用丰富的自然资源研发出新结构材料，又有利于环境保护、节约资源，具有显著的经济效益和社会效益［1-3］。当前，利用黄麻纤维制备的增强复合材料已经在汽车、建筑等领域广泛应用。棕叶纤维具有纤维长度长、断裂强度高等优良特性，具有很好的研究价值。近年来，张毅等［4-5］研究了棕叶纤维的化学脱胶工艺、精细加工工艺以及纤维性能，棕叶纤维精细化后断裂强力为93 cN，柔软度为301 捻/20 cm，线密度为0.54 tex，与黄麻纤维相比具有明显的优势。

聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）具有良好的生物降解性和相容性［6］，在包装材料、纤维制造及复合材料等方面得到了广泛应用。然而PHBV 存在高温下热稳定性较差、质地较脆等缺点，严重限制了聚合物的单独应用［7-8］。

本实验对精细化加工后的棕叶纤维进行复合工艺研究，并制备了棕叶散纤维/PHBV 热压、棕叶纤维针刺非织造布/PHBV 热压、棕叶纤维粉末/PHBV 共混复合材料；以拉伸强度、冲击强度、弹性模量和断裂伸长率为力学性能指标，研究了PHBV 质量分数、热压压强的影响；通过扫描电子显微镜（SEM）观测复合材料的拉伸断面结构。

1 实验

1.1 材料

精细化棕叶纤维（粉碎后的棕叶粉末为70 目，含水率约7.1%），Y1000 PHBV（粉末状），戊酸酯（HV，物质的量分数3%，宁波天安生物材料有限公司）。

1.2 仪器

电子天平（上海精密科学仪器有限公司），101-1型恒温干燥箱（上海东星建材有限公司），WL-GK-1-60 型开松机、WL-GS-A-600 型梳理机、WL-J-500 型给棉机、WL-ZGS.Z-Y-800 型预针刺机、WL-ZGS.ZZ-800 型针刺机、WL-800 型成卷机（中国太仓双凤非织造布设备有限公司），XLB-350×350×2 型平板硫化机（上海齐才热压机械有限公司），DE-300 万能高速粉碎机（浙江红景天工贸有限公司），PIE35 同向旋转双螺杆挤出造粒机组［科倍隆科亚（南京）机械有限公司］，TY-400 注塑机（杭州大宇塑机有限公司），H-10K-L 型电子万能材料试验机（美国TiniusoISEN 公司），XJZ-50 简支梁冲击试验机（承德试验机有限公司），SNG-3000 扫描电子显微镜，MCM-100 溅射镀膜仪（韩国赛可电子商务有限公司）。

1.3 复合材料制备工艺

1.3.1 棕叶散纤维/PHBV 热压

随机散放的精细化棕叶纤维+PHBV 粉末→热压（温度160 ℃，时间6 min，压强11.5～15.5 MPa）。

1.3.2 棕叶纤维针刺非织造布/PHBV 热压

精细化棕叶纤维→开松→给棉→梳理→铺网→进料→预针刺→针刺→成卷→针刺非织造布→加入PHBV 粉末→热压（温度160 ℃，时间6 min，压强11.5～15.5 MPa）。

1.3.3 棕叶纤维粉末/PHBV 共混

精细化棕叶纤维→棕叶粉和PHBV 混炼［先低速（15 r/min）后高速（45 r/min），时间10 min］→粉碎→注塑成型（180 ℃）。

1.4 测试

1.4.1 拉伸性能

依据GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸试验方法》［9］，采用电子万能材料试验机进行测试，隔距为50 mm，拉伸速度为10 mm/min，测3 次取平均值。依据公式计算相应的弹性模量、断裂伸长率。

1.4.2 冲击性能

依据GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》［10］，采用简支梁冲击试验机进行测试，样条无缺口，摆锤能量为2 J，取5个样品的平均值。

2 结果与讨论

2.1 纯PHBV 热压后的力学性能

纯PHBV 热压（压强13.5 MPa）后的力学性能为：拉伸强度21.68 MPa，冲击强度14.09 kJ/m2，弹性模量208.60 MPa，断裂伸长率10.72%。

2.2 影响复合材料力学性能的单因子实验

2.2.1 PHBV 质量分数

由图1可看出，3种复合材料的拉伸强度、冲击强度、弹性模量、断裂伸长率较纯PHBV 均有明显提升。3种复合材料的拉伸强度、冲击强度、弹性模量均随着PHBV 质量分数的降低（即棕叶纤维质量分数的增加）逐步上升，而断裂伸长率先上升后下降。当PHBV质量分数相同时，棕叶纤维针刺非织造布/PHBV 热压复合材料的拉伸强度、冲击强度、弹性模量均最高，棕叶散纤维/PHBV 热压复合材料次之，棕叶纤维粉末/PHBV 共混复合材料最低。原因在于棕叶纤维质量分数增加使PHBV 脆性改善，同时经针刺非织造工艺后，纤维排列更整齐有序，内应力及抱合力显著增强；而棕叶纤维粉末/PHBV 共混复合材料易出现团聚现象，导致复合材料结构不均匀性明显，PHBV的包裹性变差。棕叶纤维粉末/PHBV 共混复合材料的断裂伸长率最高与共混成型工艺有关。综合考虑，选取PHBV 质量分数为35%的棕叶纤维针刺非织造布/PHBV 热压复合材料可获得最佳的力学性能。

图1 PHBV 质量分数对复合材料拉伸强度、冲击强度、弹性模量、断裂伸长率的影响

2.2.2 热压压强

由图2 可知，随着热压压强的增大，棕叶纤维针刺非织造布/PHBV 热压复合材料的拉伸强度逐渐上升，冲击强度先上升后下降。原因在于热压压强越大，纤维排列越紧密，纤维间空隙越小，但复合材料的脆性增强。热压压强选取13.5 MPa。

图2 热压压强对复合材料拉伸强度和冲击强度的影响

2.3 拉伸断面形貌

由图3 可知，在相同工艺条件下，棕叶纤维针刺非织造布/PHBV 热压复合材料有很少的棕叶纤维从基质中拉出，间隙更小且断面更光滑、更均匀。表明针刺非织造工艺能有效梳理纤维并使之伸直，提升纤维间的抱合力，增强PHBV 的包裹力。另外，棕叶纤维粉末在复合材料中会形成一定的团聚，导致PHBV对棕叶纤维粉末的包裹性变弱，进而降低了结合力。

图3 复合材料拉伸断面的SEM 图