黃麻/PHB復(fù)合材料性能研究

劉桂陽 (南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

黃麻/PHB復(fù)合材料性能研究

劉桂陽 (南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

利用黃麻纖維制氈，再與熱塑性聚β-羥基丁酸(PHB)材料在一定的條件下熱壓成復(fù)合材料。試驗(yàn)表明，通過對(duì)黃麻纖維的化學(xué)處理、控制PHB的用量和熱壓復(fù)合條件，可以獲得綜合性能良好的黃麻/PHB復(fù)合材料。

黃麻，聚β-羥基丁酸，復(fù)合材料，性能

目前國(guó)內(nèi)對(duì)麻纖維下腳的處理主要是將其作為造紙?jiān)希旒堖^程中使用到的堿液不可避免地會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生再次污染，且該處理方法沒有發(fā)揮麻纖維的優(yōu)良性能，對(duì)麻纖維資源是一種浪費(fèi)。聚β-羥基丁酸(PHB)是一種由生物合成的脂肪族熱塑性聚酯，可在各種自然環(huán)境下完全分解為二氧化碳和水，是理想的生物降解材料［1-2]。開發(fā)高密度黃麻/PHB纖維復(fù)合材料一方面可以解決廢料處理過程中存在的問題，另一方面可以制得高附加值產(chǎn)品，獲得經(jīng)濟(jì)效益［3]。

1 黃麻性能測(cè)試

1.1 回潮率和強(qiáng)度

黃麻纖維回潮率和強(qiáng)度分別依據(jù)GB 5883—1986《苧麻回潮率、含水率測(cè)試方法》和GB 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行。測(cè)得黃麻纖維回潮率的平均值為12.6%，拉伸斷裂強(qiáng)度平均值為27 cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率平均值為3.1%。

1.2 熱穩(wěn)定性

復(fù)合加工過程中纖維受到較集中的熱的作用，會(huì)使纖維分子受到破壞性損傷，喪失部分強(qiáng)度，為此進(jìn)行了黃麻纖維熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 溫度對(duì)黃麻纖維強(qiáng)度的影響

由表1看出，黃麻纖維加熱5 min其強(qiáng)度幾乎沒有變化;加熱15 min有淡淡的燒焦味，且強(qiáng)度下降了 5.1%。

本研究采用PHB纖維與黃麻纖維復(fù)合，而PHB的熔融溫度低于170℃，且黃麻纖維在機(jī)器中的加熱時(shí)間不超過2 min，所以黃麻纖維可以滿足與PHB纖維復(fù)合工藝的要求。

2 黃麻的化學(xué)處理

黃麻纖維是一種工藝?yán)w維，在黃麻纖維的橫切面中可以看到許多呈銳角而不規(guī)則的多角形單纖維細(xì)胞集合成束，單纖維之間由狹窄的中間層分開，中腔呈卵圓形，有寬有窄，表現(xiàn)出典型的復(fù)合材料的特征，且具有良好的比強(qiáng)度和比模量，因而適用于復(fù)合材料。但由于黃麻中膠質(zhì)含量很高，尤其是木質(zhì)素的含量很大，結(jié)晶度高，一定程度上影響了黃麻纖維在復(fù)合加工時(shí)與PHB之間的黏結(jié)性能，因此對(duì)黃麻纖維采用了化學(xué)改性處理。改性處理過程如下:

黃麻下腳(預(yù)開松處理)→NaClO溶液→水洗→脫水→脫氯(Na2S2O3)→水洗→脫水→自然烘干(2 d左右)

其中:黃麻纖維5 kg;NaClO溶液(質(zhì)量濃度10%)10 L;Na2S2O3固體 300 g。

黃麻纖維主要成分是纖維素，具有耐堿不耐酸的特性，在稀堿溶液中極為穩(wěn)定，在強(qiáng)堿溶液中與NaClO發(fā)生反應(yīng)，纖維素發(fā)生膨潤(rùn)，生成纖維素鈉鹽，因?yàn)殁c離子的水合能力極強(qiáng)，使大量水分子進(jìn)入纖維內(nèi)部，纖維劇烈膨脹。堿液不僅滲透到纖維的無定形區(qū)，而且滲透到晶區(qū)表面及側(cè)序較低的晶區(qū)，水洗后纖維微結(jié)構(gòu)難以復(fù)原，故改性后黃麻纖維的結(jié)晶度和取向度下降，無定形區(qū)增大，整個(gè)結(jié)構(gòu)變得疏松，纖維伸長(zhǎng)率和柔軟度提高，彈性增強(qiáng);同時(shí)，改性后黃麻纖維中的非纖維素脫去一部分膠質(zhì)和木質(zhì)素，從而提高了纖維素的含量，能較好地改善黃麻纖維的復(fù)合性能。

改性后的黃麻呈乳白色，潔凈度高，手感和原麻相比柔軟度明顯提高。改性前后黃麻的外觀變化見圖1。

圖1 改性前后黃麻外觀變化對(duì)比

在改性和未改性黃麻中挑選粗細(xì)相同的黃麻纖維，切段，長(zhǎng)度為10 cm，各取10根，在PC/YG061電子單紗強(qiáng)力儀上測(cè)試其拉伸強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果列于表2。改性前后黃麻纖維的強(qiáng)度均在27～38 cN/tex之間，可見對(duì)黃麻纖維進(jìn)行改性只是改變了黃麻纖維的表面結(jié)構(gòu)，并未影響其強(qiáng)度。

表2 改性前后黃麻纖維的強(qiáng)度(單位:cN·tex－1)

3 黃麻氈的制備［4]

分別將改性前后的黃麻纖維用非織造工藝制備黃麻針刺氈。

由于試驗(yàn)樣品用量不大，沒有使用開松機(jī)和混合機(jī)，而是采用手扯方式開松，然后直接鋪放在梳理機(jī)的網(wǎng)簾上，經(jīng)過梳理機(jī)(FZSO500)、鋪網(wǎng)機(jī)(FZP1000)、預(yù)針刺機(jī)(FZZ-Ⅰ1000)和針刺機(jī)(FZZ-Ⅱ1000)的加工制得黃麻針刺氈。

4 黃麻/PHB復(fù)合材料的制備

試驗(yàn)材料:黃麻針刺氈，PHB(純度97%)

試驗(yàn)儀器:YA32-100萬能液壓機(jī)

用自制紗布袋將PHB不均勻顆粒中的細(xì)小顆粒分離，得到均勻的PHB粉末。將PHB裝入自制紗布袋，均勻撒在黃麻氈表面，三種試樣的PHB質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、30%和40%。把復(fù)合好的黃麻氈在液壓機(jī)上進(jìn)行熱壓。PHB的熔點(diǎn)為173～190℃，故將熱壓溫度控制在180℃，熱壓時(shí)間為正反兩面各3 min。

5 改性前后黃麻/PHB復(fù)合材料的吸濕性能

將黃麻/PHB復(fù)合材料試樣浸泡在水中，定時(shí)用分析天平稱量試樣的增重量，然后計(jì)算試樣的吸濕率。改性前后黃麻/PHB復(fù)合材料的吸濕率隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)見表3。

表3 改性前后復(fù)合材料吸濕率隨時(shí)間的變化 (單位:%)

由表3可知，改性后黃麻/PHB復(fù)合材料經(jīng)水浸泡5h后的飽和吸濕率約為6.3%，而改性前黃麻/PHB復(fù)合材料的飽和吸濕率為8.4%。這說明通過改性黃麻/PHB的界面性能明顯得以改善，復(fù)合材料板材中空隙率明顯降低，水分不易沿纖維界面浸入，大大減少了復(fù)合材料因水分的浸入而造成的破壞，可見改性后黃麻/PHB復(fù)合材料的吸濕性能得到了顯著的改善。

6 黃麻/PHB復(fù)合材料的力學(xué)性能

取不同PHB含量的黃麻/PHB復(fù)合材料試樣(30 mm×200 mm)各5塊，用YG065電子織物強(qiáng)力儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)力測(cè)試。

表4 不同PHB含量的黃麻/PHB復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)力 (單位:N)

由表4可知，在熱壓時(shí)間相同的條件下，黃麻/PHB復(fù)合材料的拉伸性能會(huì)隨PHB含量的增加而增加，因此該復(fù)合材料可以通過控制PHB的含量來控制其拉伸強(qiáng)力。但從節(jié)約成本角度考慮，在滿足復(fù)合材料綜合性能的條件下，應(yīng)盡量減少PHB的用量。

7 結(jié)論

(1)對(duì)黃麻合理的化學(xué)改性處理不會(huì)改變黃麻的力學(xué)性能，且能很好地提高復(fù)合材料的綜合性能，如拉伸和吸水等性能;

(2)在熱壓時(shí)間相同的條件下，復(fù)合材料的綜合性能隨PHB的含量增加而增加，因此可以通過控制PHB的含量來控制復(fù)合材料的強(qiáng)力，但從節(jié)約成本角度考慮，在滿足復(fù)合材料綜合性能的條件下，應(yīng)盡量減少PHB的用量;

(3)本試驗(yàn)尚未對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行降解時(shí)間的測(cè)試，而該項(xiàng)測(cè)試很有必要，這對(duì)于該復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)很有意義。

［1]葉梁，宋艷茹.生物技術(shù)生產(chǎn)生物可降解塑料PHB的研究進(jìn)展［J].生物技術(shù)通報(bào)，1998(3):9-l5.

［2]陳廣銀，陳堅(jiān)，倫世儀，等.生物可降解塑料PHB提取的研究進(jìn)展［J].化纖進(jìn)展，1998(1):41-43.

［3]張瑜，朱軍.黃麻/PHBV復(fù)合材料的耐濕熱性能研究［J].中國(guó)麻業(yè).2004(5):23-25.

［4]王延熹.非織造布生產(chǎn)技術(shù)［M].上海:中國(guó)紡織大學(xué)出版社，1998.

［5]王善元，張汝光.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料［M].上海:中國(guó)紡織大學(xué)出版社，1998.

Study on the property of jute/PHB composite material

Liu Guiyang (Natong Textile Vocational Technology College)

Felt manufactured of jute fiber was heat calendered with thermalplastic PHB under constant condition to be composite material.The test result is that jute/PHB composite material with good comprehensive performance could be obtained by chemical treatment on jute fiber and controlling content of PHB as well as thermal composite condition.

jute，PHB，composite material，performance

TS102.223;TQ323.41

A

1004－7093(2010)11－0019－03

2010－08－23

劉桂陽，男，1980年生，講師。主要研究方向是紡織新材料。