單板飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的性能研究

張鐳，張愛(ài)紅，王偉宏

（生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北林業(yè)大學(xué)），哈爾濱 150040）

麻纖維除應(yīng)用在紡織工業(yè)和麻質(zhì)纜繩外，還廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域。麻纖維具有成本低、質(zhì)量輕、天然、可再生等特點(diǎn)，可以部分取代玻璃纖維等合成纖維用于制備復(fù)合材料。天然麻纖維與樹(shù)脂復(fù)合不僅減少了廢棄塑料的環(huán)境污染，也降低了植物焚燒對(duì)空氣的污染［1］。天然麻纖維復(fù)合材料還具有密度小、耐沖擊、吸音隔熱性好、可回收等優(yōu)點(diǎn)［2］。

在天然纖維中，黃麻纖維硬度較高，且具有較高的比強(qiáng)度和比模量［3］，這為其在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。王國(guó)杰等［4］采用可變纖維注入技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、纖維長(zhǎng)度為25 mm 時(shí)，黃麻纖維/聚氨酯復(fù)合材料的拉伸性能最好。張安定等［5］在制備黃麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃麻纖維含量的增加或黃麻纖維長(zhǎng)度的增加會(huì)使復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量得到提高，而沖擊強(qiáng)度則會(huì)有所降低。張愛(ài)紅等［6］發(fā)現(xiàn)，陳放溫度和陳放時(shí)間是黃麻纖維/酚醛樹(shù)脂（PF）復(fù)合材料性能的重要影響因素。在40 ℃下陳放6.25 h 的黃麻纖維/PF 復(fù)合材料彎曲性能及沖擊強(qiáng)度均較高，且黃麻纖維與樹(shù)脂基體結(jié)合緊密。

工業(yè)用黃麻纖維的形態(tài)主要包括黃麻纖維、黃麻纖維束和黃麻纖維氈等［6］。其中，纖維氈由纖維經(jīng)過(guò)篩選、提取雜質(zhì)、烘干、梳理、鋪網(wǎng)、搓坯、密度處理、平整、二次密度處理、甩干、質(zhì)檢、烘干、定型、質(zhì)檢、入庫(kù)、出廠等工序制成，具有黏合性能好、空隙均勻等優(yōu)點(diǎn)。相比其他纖維形態(tài)，纖維氈可以為施膠提供良好條件。

酚醛樹(shù)脂廣泛用作涂料、膠黏劑、防腐材料和隔熱保溫材料等，在化工、航空航天及建筑等領(lǐng)域扮演重要角色［7］。酚醛樹(shù)脂具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如耐高溫、黏接強(qiáng)度高、高殘?zhí)悸省⒛湍バ詮?qiáng)等，且成本低廉，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［8］，是制備復(fù)合材料的常用基質(zhì)。黃麻本身顏色深，浸漬PF 樹(shù)脂后顏色更暗，缺乏美感，如可在復(fù)合材表面黏附一層單板，則可起到裝飾作用，實(shí)用性更強(qiáng)。

筆者以價(jià)格低廉的黃麻氈為原料，研究開(kāi)發(fā)黃麻氈/PF 復(fù)合材，采用木質(zhì)單板進(jìn)行表面裝飾，通過(guò)分析飾面前后的復(fù)合材料力學(xué)性能差異來(lái)研究新型復(fù)合材料的制備工藝，為天然纖維的有效利用提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

楊木（Populus eurameviacanacv.I?214）單板，規(guī)格250 mm×250 mm×0.6 mm，密度0.51 g/cm3，含水率8%～12%，產(chǎn)自江蘇宿遷。黃麻纖維氈，規(guī)格250 mm×250 mm×4 mm，密度0.2 g/cm3，含水率8%～12%，產(chǎn)自河南長(zhǎng)葛。自制酚醛樹(shù)脂，固含量49%；氫氧化鈉，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的制備

1）取定量黃麻氈，將其置于盛滿2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH 溶液的容器中浸泡2.5 h；然后使用蒸餾水沖洗至中性（使用pH 試紙貼于氈上測(cè)量酸堿性）；最后將黃麻氈置于103 ℃烘箱中使含水率降至8%～12%，備用。

2）取烘干后的黃麻氈，稱質(zhì)量；再將黃麻氈浸于PF 樹(shù)脂中15 min，施膠量（280±10）g/m2，刮除殘余樹(shù)脂，稱質(zhì)量；控制黃麻氈與所吸附樹(shù)脂質(zhì)量比分別為1∶9，2∶8，3∶7，4∶6；浸漬后的黃麻氈稱為黃麻氈預(yù)浸料。

3）將黃麻氈預(yù)浸料在40 ℃下晾置6.25 h。

4）未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的制備：將晾置后的預(yù)浸料放入熱壓機(jī)（SY01 型，上海板機(jī)裝備技術(shù)有限公司）。熱壓參數(shù)為：溫度150 ℃，壓力2.5 MPa，時(shí)間5 min。制得規(guī)格250 mm×250 mm×4 mm 的未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料。

5）飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的制備：將預(yù)浸料的上下表面都覆上單板，形成單板?預(yù)浸料?單板結(jié)構(gòu)的板坯。熱壓參數(shù)同上。制得規(guī)格250 mm×250 mm×5 mm 的單板飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 復(fù)合材料密度測(cè)定

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能測(cè)試方法》，將板材鋸成50 mm×50 mm試件，稱質(zhì)量及長(zhǎng)、寬、厚，分別測(cè)量3 次取均值。以質(zhì)量和體積的比值計(jì)算復(fù)合材料密度。

1.3.2 復(fù)合材料沖擊韌性測(cè)定

參照GB/T 1451—2005《纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法》測(cè)定沖擊韌性。使用簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)（JC?5 型，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司），沖擊速度為2.9 m/s，沖擊能量為2 J，沖擊試件規(guī)格80 mm×10 mm。

1.3.3 復(fù)合材料彎曲性能測(cè)定

參照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（CMT5504 型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司），以三點(diǎn)彎曲方式測(cè)定彎曲性能。彎曲速度2 mm/min，跨距64 mm，試件規(guī)格80 mm×15 mm。

1.3.4 飾面復(fù)合材料表面膠合強(qiáng)度測(cè)定

參照GB/T 17657—2013 標(biāo)準(zhǔn)，采用方法2 測(cè)定表面膠合強(qiáng)度。加載速度5 mm/min，試件規(guī)格50 mm×50 mm。

1.3.5 層積復(fù)合材料浸漬剝離性能測(cè)定

參照GB/T 17657—2013 測(cè)定浸漬剝離性能。進(jìn)行I 類浸漬剝離試驗(yàn)，試件規(guī)格75 mm×75 mm，記錄單板與基材之間的剝離分層長(zhǎng)度。

1.3.6 微觀形貌觀察

使用Quanta 200F 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，美國(guó)FEI 公司）觀察試件的斷面形態(tài)，將斷裂的試件在斷口處鋸掉2 mm，對(duì)斷面進(jìn)行噴金鍍膜，置于樣品室觀察復(fù)合材料的樹(shù)脂浸漬及界面結(jié)合情況。加速電壓為12.5 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 密 度

飾面及未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的密度見(jiàn)表1。隨著黃麻氈所占比例的增加，黃麻氈/PF 復(fù)合材料的密度逐漸提高。當(dāng)纖維和樹(shù)脂質(zhì)量比為1∶9時(shí)未飾面板的密度較低，這是因?yàn)闃?shù)脂含量高，在陳放過(guò)程中損失的水分更多，導(dǎo)致質(zhì)量下降較多，密度降低。飾面復(fù)合材料的密度為0.55～0.64 g/cm3，大于未飾面板的0.48～0.58 g/cm3，表明單板的引入提高了整體密度。

表1 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料密度Table 1 Finished and unfinished jute fiber/PF composites density

2.2 沖擊韌性

飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的沖擊韌性見(jiàn)圖1。由圖1 可知，黃麻纖維含量的增加能夠明顯改善復(fù)合材料的沖擊韌性［9］，這是因?yàn)榉尤?shù)脂本身較脆，而黃麻纖維具有很大的韌性。另外，黃麻纖維編織成黃麻氈形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后，樹(shù)脂可以更完全地滲透進(jìn)入黃麻氈，兩者黏接后可以產(chǎn)生更大的黏接力，使得材料的沖擊韌性得到進(jìn)一步提高。黃麻纖維越多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越豐富，越有助于提高沖擊韌性。

飾面后的復(fù)合材料沖擊韌性得到大幅度提升，這是由于單板與基材通過(guò)PF 樹(shù)脂黏接形成的多層結(jié)構(gòu)需要耗費(fèi)更多的能量才能被破壞。樹(shù)脂含量越高，飾面復(fù)合材料的沖擊韌性提高幅度越大，如麻氈與PF 樹(shù)脂質(zhì)量比為1∶9時(shí)，其沖擊韌性是未飾面時(shí)的8 倍，而麻氈與PF 樹(shù)脂質(zhì)量比為4∶6時(shí)，提高幅度降到4.9 倍，這是因?yàn)楸韺訂伟遄饔玫陌l(fā)揮程度有所差異。樹(shù)脂含量高，則單板與黃麻氈/PF 復(fù)合材料基材黏貼更牢固，需要耗費(fèi)更多能量才能破壞膠合。

圖1 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的沖擊韌性Fig.1 Impact toughness of finished and unfinished jute fiber/PF composites

2.3 抗彎性能

飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的抗彎性能見(jiàn)圖2。由圖2 可知，隨著纖維含量的增加，飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的抗彎性能都逐漸加強(qiáng)。經(jīng)單板飾面后復(fù)合材料的抗彎性能明顯提高，原因是單板具有一定抗拉強(qiáng)度，當(dāng)材料彎曲變形時(shí)，表層單板承擔(dān)了較多拉應(yīng)力來(lái)抵抗變形。因此，單板飾面可起到提高抗彎性能的作用［10］。與沖擊韌性相同，樹(shù)脂比例越高，表層單板貼面越牢固，飾面后板材抗彎性能提高幅度越大。

圖2 飾面與未飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的抗彎性能Fig.2 Bending resistance of finished and unfinished jute fiber/PF composites

2.4 表面膠合強(qiáng)度

飾面后的復(fù)合材料表面膠合強(qiáng)度隨纖維含量的增加而逐漸降低。當(dāng)纖維與樹(shù)脂質(zhì)量比為1∶9時(shí)，樹(shù)脂較多，對(duì)貼面單板的浸潤(rùn)較充分，表面膠合強(qiáng)度達(dá)到最高值2.50 MPa。隨著纖維用量的提高，滯留在表面纖維上的PF 樹(shù)脂相應(yīng)減少，與表層單板的黏接力有所下降；纖維與樹(shù)脂質(zhì)量比為2∶8，3∶7，4∶6的復(fù)合材料表面膠合強(qiáng)度均分別為1.20，1.00 和0.61 MPa，高于0.6 MPa，符合裝飾單板貼面人造板表面膠合強(qiáng)度的要求。

2.5 浸漬剝離性能

不同纖維含量對(duì)復(fù)合材料耐水性的影響如表2 所示。隨著樹(shù)脂含量的減少，膠層剝離長(zhǎng)度增大。這表明貼面的耐水性與基材中的樹(shù)脂含量密切相關(guān)，原因是基材中樹(shù)脂含量高則為黏接表層單板提供了足夠厚的膠層［11］。參照GB/T 15104—2006《裝飾單板貼面人造板》中裝飾單板貼面人造板物理力學(xué)性能的要求，試件貼面的每一膠層的每一邊的剝離長(zhǎng)度均不能高于25 mm。由表2 可知，本研究中的黃麻氈纖維質(zhì)量比在0.4 以內(nèi)時(shí)，貼面板都可以達(dá)到浸漬剝離的要求。

表2 單板貼面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的浸漬剝離長(zhǎng)度Table 2 Dip peeling length of veneer?finished jute fiber/PF composites

2.6 黃麻氈/PF 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3 黃麻氈/PF 復(fù)合材料的SEM 圖Fig.3 SEM images of jute fiber/PF composites

黃麻氈/PF 復(fù)合材料的斷面掃描電鏡圖見(jiàn)圖3。由圖3a 可以看到，在復(fù)合材料中單根柱狀纖維呈束狀結(jié)合形成纖維束［12］。從纖維束的橫截面中可以看到圓狀或橢圓狀的細(xì)胞腔。酚醛樹(shù)脂主要填充在纖維束之間，少量樹(shù)脂填充于纖維細(xì)胞腔。大量未被填充的細(xì)胞腔可以吸收更多的沖擊能量［13］。纖維越多，未填充的細(xì)胞腔孔隙越多，沖擊性能越好。樹(shù)脂與纖維之間的結(jié)合界面并未產(chǎn)生空隙，這可以保證結(jié)合界面有效地傳遞載荷［14］，從而提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

2.7 樹(shù)脂浸漬纖維情況及界面分析

纖維與樹(shù)脂質(zhì)量比為2∶8的復(fù)合材料纖維斷面微觀形貌見(jiàn)圖4a。由圖4a 可知，樹(shù)脂含量雖然較高，但仍可以看到圓形的未被樹(shù)脂填充的細(xì)胞腔。在單板飾面復(fù)合材料（圖4b）中，PF 樹(shù)脂滲透進(jìn)單板細(xì)胞腔中，部分紋孔被PF 樹(shù)脂填充，但大部分仍呈孔隙狀態(tài)。

圖4 復(fù)合材料纖維斷面與飾面復(fù)合材料斷面圖Fig.4 Sectional view of composite fiber and cross section of finished composite

纖維與樹(shù)脂質(zhì)量比為4∶6的飾面復(fù)合材料的斷面微觀形貌見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，飾面單板與黃麻氈/PF 復(fù)合材料基材之間存在裂縫，表層與基材的界面結(jié)合不如樹(shù)脂含量高時(shí)的貼面板。這有助于吸收沖擊能量，但為水分的深入滲透提供了通道，因而其表面膠合強(qiáng)度所有下降［15］。

圖5 纖維與酚醛樹(shù)脂質(zhì)量比為4∶6時(shí)飾面復(fù)合材料斷面圖Fig.5 Sectional view of the finished composite when the ratio of fiber to PF resin was 4∶6

3 結(jié)論

1）隨著纖維含量的增加，黃麻氈/PF 復(fù)合材料的彎曲性能和沖擊韌性有所提高，纖維與樹(shù)脂質(zhì)量比為4∶6的黃麻氈/PF 復(fù)合材料彎曲性能最好（彎曲模量為3.03 GPa，彎曲強(qiáng)度為23 MPa）、沖擊強(qiáng)度最高（沖擊韌性為1.8 kJ/m2）；與未飾面復(fù)合材料相比，單板飾面復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度得到大幅度提高（彎曲模量為8 GPa，彎曲強(qiáng)度為70 MPa，沖擊韌性為8.9 kJ/m2），單板飾面的黃麻氈/PF 復(fù)合材料具有良好的裝飾性。

2）隨著纖維含量的增加，飾面黃麻氈/PF 復(fù)合材料的表面膠合強(qiáng)度有所下降，纖維與樹(shù)脂比例為1∶9，2∶8，3∶7，4∶6的飾面復(fù)合材料膠合強(qiáng)度分別為2.50，1.20，1.00 和0.61 MPa，均大于0.4 MPa。黃麻氈質(zhì)量比在40%以內(nèi)時(shí)浸漬剝離長(zhǎng)度皆小于25 mm，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂中存在未填充的細(xì)胞腔孔隙，提高了復(fù)合材料的沖擊性能；樹(shù)脂與纖維結(jié)合緊密，未填充到纖維內(nèi)部的樹(shù)脂均填充于纖維束之間。此外，一步飾面成型能夠使部分PF 樹(shù)脂滲入到單板中，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。