劍麻纖維及其復(fù)合材料研究

摘要：隨著我國在材料科學(xué)方面研究的進步，對于纖維增強復(fù)合材料的研究也有了非常大的進步，劍麻纖維作為一種纖維復(fù)合增強材料，目前在紡織、軍工、日常生活用品制造等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用，并且隨著更多劍麻纖維復(fù)合材料的研究使其具有了更加廣闊的應(yīng)用前景。本文對劍麻纖維的成分和性能進行了簡單介紹，分析了劍麻纖維的表面處理方法以及一些典型的復(fù)合材料的性能。

關(guān)鍵詞：劍麻纖維；復(fù)合材料；表面處理；性能

在軍事工業(yè)和民用工業(yè)快速發(fā)展的同時，一些傳統(tǒng)的材料往往不能滿足多性能的產(chǎn)品要求。許多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了天然纖維材料的利用價值，逐漸在該領(lǐng)域展開研究，并研究了更多的纖維增強復(fù)合材料以進一步滿足工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用需求。劍麻纖維就是一種從劍麻植物中提取出的纖維材料，具有高強度、無污染、易加工、價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在了軍事和民用的多種工業(yè)制造中，成為了目前應(yīng)用最廣泛的纖維增強復(fù)合材料之一，產(chǎn)生了許多衍生的復(fù)合材料。劍麻纖維及其復(fù)合材料成分復(fù)雜，性能各有不同，必須進行深入研究，才能更好地把握劍麻纖維及其復(fù)合材料的特性。

1.劍麻纖維的成分及性能

1.1組成成分

劍麻纖維材料產(chǎn)生自劍麻植物的葉片，主要的化學(xué)成分有纖維素、木質(zhì)素、半纖維素三種，其次也含有一定的果膠、水溶物等成分。一般的劍麻纖維通常包含了50%到65%的纖維素、12%到20%的半纖維素、8%到10%的木質(zhì)素，5%左右的其他成分。纖維素、木質(zhì)素是影響劍麻纖維性能的主要成分，經(jīng)過研究數(shù)據(jù)表明，劍麻纖維中的纖維素含量越大，其彈性模量就越大；而如果劍麻纖維木質(zhì)素含量越大，則木質(zhì)化程度會增加，質(zhì)地較硬，如果木質(zhì)素含量較少，就會使纖維顯得更加柔韌、富有彈性并且有較好的色澤度；此外，果膠的含量也對劍麻纖維的硬度和強度有一定的影響。從劍麻纖維的平均成分含量來看，木質(zhì)素含量相較于一般纖維類型較高，因此劍麻纖維普遍質(zhì)地較硬。

1.2性能分析

劍麻纖維的性能主要包括了物理性能和化學(xué)性能兩個方面，這兩個方面的性質(zhì)與劍麻纖維的成分組成以及結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系。在植物纖維的結(jié)構(gòu)中，纖維長度是一項非常重要的指標，對纖維的性能有重要影響。劍麻纖維的平均長度較長，一般以50到110厘米的纖維居多，纖維長度較為均勻，但是支數(shù)比較低并且長徑比比較小，是一種高強度低伸長度、粗硬型的纖維。因此，結(jié)合劍麻纖維的組成部分和纖維結(jié)構(gòu)來看，劍麻纖維在物理性質(zhì)方面強度較大、彈性好但是伸長小、纖維質(zhì)地較硬，纖維彈性較差，變形后不容易恢復(fù)；在化學(xué)性質(zhì)方面，劍麻纖維容易與酸、堿進行反應(yīng)，能夠進行一定程度的表面處理以改善纖維的性質(zhì)，使其更適合于進行加工。

2.劍麻纖維的復(fù)合材料研究

2.1劍麻纖維的表面處理方法

通過對劍麻纖維的性能研究可以發(fā)現(xiàn)，劍麻纖維本身雖然具有一定的加工優(yōu)勢，但是單純的劍麻纖維材料加工出的產(chǎn)品強度大，但是伸縮性小、變形后不易恢復(fù)，質(zhì)地剛硬，因此在一些領(lǐng)域，單純的劍麻纖維的產(chǎn)品并不能完全達到產(chǎn)品要求，必須要對劍麻纖維進行處理以制造出復(fù)合材料。在制造劍麻纖維的復(fù)合材料過程中，第一步就是要對其進行表面處理。這是因為復(fù)合材料的性能取決于組成成分的性能以及組分間的界面相容性，如果能夠通過表面處理改善劍麻纖維的表面特征，就能夠提高劍麻纖維成分與試劑之間的反應(yīng)程度，從而改善劍麻纖維與其他聚合物的相容度，有效提高劍麻纖維的復(fù)合材料性能。

對劍麻纖維進行表面處理的方法主要有物理方法和化學(xué)方法兩種。物理方法主要是進行熱處理、改變界面張力、界面偶合等方式，而化學(xué)處理則主要包括了使用酸堿溶液處理、有機溶劑處理等方式。一般在處理時不會單獨地使用物理或者化學(xué)方法，都會根據(jù)想要改善的方向選擇合理的化學(xué)和物理組合方式。例如，容敏智等研究者曾經(jīng)使用熱處理加上堿、硅烷偶聯(lián)劑、乙酰化、氰乙基化等化學(xué)處理的方式對劍麻纖維表面進行加工，實驗表面，這些處理方法基本都可以改變纖維和基體的界面，可以影響纖維本身的結(jié)構(gòu)；堿處理可以顯著改善材料的各項力學(xué)性能；其他試劑處理后可以改善纖維的粘連性，但是對于劍麻纖維的拉伸性能沒有顯著改善。此后，周興平等人運用了接枝聚合的方式對劍麻纖維進行處理，實驗證明，這種方式能夠有效地改善劍麻纖維與其他材料的相容性，能夠降低與基體界面之間的張力，在改善性能的效果上比堿處理更好。從各種處理實驗可以看出，對劍麻纖維進行處理時使用的方法或者試劑不同，處理的效果也會不同，主要的改善方向都會有一些差異。因此，在進行劍麻纖維表面處理時，必須根據(jù)對復(fù)合材料的性質(zhì)要求合理選擇表面處理方式和試劑，并合理控制各種反應(yīng)條件，以便獲得理想的處理結(jié)果，提高復(fù)合材料的性能。

2.2劍麻纖維復(fù)合材料的性能研究

劍麻纖維的復(fù)合材料種類豐富并且類型繁多，一般的分類標準可以根據(jù)纖維的狀態(tài)進行分類，或者按照基質(zhì)類型的不同分類，不同的復(fù)合材料具有不同的性能。

2.2.1不同纖維形態(tài)的劍麻纖維復(fù)合材料性能

纖維形態(tài)是影響纖維材料結(jié)構(gòu)的重要因素，其中，纖維長度是纖維形態(tài)的主要指標之一。在劍麻纖維復(fù)合材料種類中，根據(jù)纖維的長度可以分為長纖維、短纖維、混雜纖維三種復(fù)合材料。長纖維劍麻纖維復(fù)合材料中纖維的含量增大，會降低材料的粘連性和流動性，使得材料性能下降，因此在關(guān)于長纖維方向的劍麻纖維復(fù)合材料研究較少，但是也有劉原等學(xué)者研究了具有長纖維特點的單向連續(xù)劍麻纖維增強環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料，使得復(fù)合材料的斷裂性能有明顯改善，但是仍然存在粘連性較差等問題，性能總體來說仍然有所下降。

短纖維劍麻纖維復(fù)合材料則很好地克服了長纖維復(fù)合材料中的一些缺點，劉婷等學(xué)者研究了短纖維劍麻纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這種材料的強度較好、彈性模量較大；梁小波等學(xué)者采用短切劍麻纖維增強PP基進行研究，發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料具有更好的裂紋擴展功能?？傮w來說，短纖維復(fù)合材料性能改善較好，但是在加工時也容易受到纖維的排列方向、加工工藝等因素的影響。

混雜纖維劍麻纖維復(fù)合材料則具有更加綜合的優(yōu)點，主要的混雜方向是劍麻纖維與玻璃纖維、劍麻纖維與晶須的混雜，一般來說，經(jīng)過混雜后的復(fù)合材料在彎曲和沖擊強度、彈性、熱穩(wěn)定性等方面都具有較好的性能改善，是一種比較有效的復(fù)合方式。

2.2.2不同基質(zhì)的劍麻纖維復(fù)合材料性能

按照基質(zhì)的類型不同，可以將劍麻纖維的復(fù)合材料分為熱固性樹脂基復(fù)合材料、熱塑性樹脂基復(fù)合材料以及橡膠或彈性體復(fù)合材料三種類型。熱固性樹脂基復(fù)合材料主要是用熱固性的樹脂材料例如PF、EP、不飽和聚酯（UP）等作為基質(zhì)，一般可以使復(fù)合材料具有更好的粘連性和力學(xué)性質(zhì)，但是性能改善程度不是特別大；熱塑性樹脂基復(fù)合材料則主要是強度和拉伸度上的改善；橡膠或彈性體復(fù)合材料則主要是對材料的拉伸性、收縮性方面的改善，幾種材料都有一定程度上的性能改善特點。

3.結(jié)束語

劍麻纖維及其復(fù)合材料具有較好的性能，在軍事以及民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，具有較好的研究發(fā)展前景。通過對劍麻材料及其復(fù)合材料性質(zhì)的研究，更有利于對劍麻纖維復(fù)合材料的進一步發(fā)展，使其具有更廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻

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作者簡介：

羅理銘（1967-），男，廣西玉林人，本科，工程師，研究方向：工業(yè)企業(yè)管理方向。