PLA／麻纖維復(fù)合材料研究進展

陳春暉，吉強，許多，李治江

(塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300)

麻纖維是天然植物纖維素中的一類，具有可生物降解、價廉質(zhì)輕、來源廣泛、可再生等優(yōu)點，且力學(xué)性能優(yōu)良[1]。隨著“五位一體化”生態(tài)文明建設(shè)的全面推進，麻纖維逐漸成為用于綠色生物基復(fù)合材料研究的最廣泛的天然植物纖維之一[2]。

聚乳酸(PLA)是由玉米、小麥等農(nóng)作物產(chǎn)品提取出的淀粉，經(jīng)發(fā)酵、聚合而制得，具有良好的透明度、較好的力學(xué)性能和生物可降解性，但其具有質(zhì)地硬脆、耐沖擊性及熱性能差且降解速率不易控制等不足，使其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用范圍受到限制[3]。

PLA／麻纖維復(fù)合材料具有雙組分均綠色、可降解、可再生的性能，且麻纖維優(yōu)良的力學(xué)性能作為增強基質(zhì)彌補了PLA 脆、硬、耐沖擊性能等不足，對環(huán)境十分友好，符合環(huán)保生態(tài)可持續(xù)的綠色發(fā)展理念[4]?；诼槔w維基本組成和性能，針對麻纖維應(yīng)用于PLA／麻纖維復(fù)合材料的界面改性及其復(fù)合材料制備的主要成型方法以及PLA／麻纖維復(fù)合材料的主要性能研究進行了概述，并主要從界面改性、成型方法和性能研究方面對PLA／麻纖維復(fù)合材料的研究發(fā)展進行總結(jié)和展望，同時指出羅布麻纖維應(yīng)用于PLA／麻纖維復(fù)合材料研究發(fā)展的可能性及前景。

1 麻纖維基本組成及性能

麻纖維以纖維所在的植物部位進行分類，如韌皮纖維和葉纖維，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠和其它成分構(gòu)成，纖維素含量較高，對纖維的強度、斷裂伸長率、模量等主要性能起決定作用，與強度、模量成正相關(guān)，各成分含量因種類不同而差異[5–6]。麻纖維結(jié)構(gòu)組成及形態(tài)直接關(guān)系到其與PLA 基質(zhì)界面的相容性及其復(fù)合材料制備成型方法，進而影響PLA／麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)等具體性能。

麻纖維自身特性直接決定PLA／麻纖維復(fù)合材料的制備及其性能[7]，不同種類麻纖維基本性能存在差異，麻纖維一般具有斷裂強度高、耐化學(xué)腐蝕及耐摩擦性能優(yōu)良、質(zhì)輕、比強度高等特點。常用于綠色復(fù)合材料制備的麻纖維有苧麻、亞麻、黃麻、紅麻、大麻、羅布麻纖維等，與常用于復(fù)合材料增強體的玻纖相比較，羅布麻纖維的拉伸強度、斷裂伸長率和玻纖相當(其它麻類纖維的斷裂強度約是玻纖四分之一，斷裂伸長率除大麻纖維外優(yōu)于玻纖)，彈性相對較好，密度卻只有玻纖的0.5～0.6 倍，質(zhì)地輕盈。與玻纖相比，麻纖維滿足復(fù)合材料所需力學(xué)基本性能的同時，其材料價格卻遠遠低于玻纖，綠色可降解，其較好的斷裂伸長率同時亦可彌補PLA 質(zhì)地硬、耐沖擊性能差的不足[8]。另外，苧麻、亞麻、大麻、羅布麻纖維自身具有優(yōu)良的抗菌性，羅布麻纖維還具有遠紅外抗紫外等性能，可用于相應(yīng)的功能性復(fù)合材料的研發(fā)。

2 PLA／麻纖維復(fù)合材料

2.1 界面處理

麻纖維和PLA 界面相容粘結(jié)性直接影響PLA／麻纖維復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力傳遞、轉(zhuǎn)移能力，對PLA／麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能起到了決定性的作用[9]。麻纖維屬于纖維素纖維，羥基含量較高且其之間形成氫鍵，具有親水性，為提高麻纖維與PLA 的界面相容性，增強麻纖維和PLA 機械粘結(jié)性，需要對麻纖維進行界面改性處理，主要有物理、化學(xué)等處理方法[10]，不同的處理方法采用的手段及達到的目的也有差異。近年來，常用于PLA／麻纖維界面性能處理的方式列于表1。

表1 麻纖維常用界面處理方法及目的

物理方法主要是針對性地改變麻纖維的表面結(jié)構(gòu)和性能來提高麻纖維與PLA 的物理粘附性?；瘜W(xué)方法則是通過使麻纖維基本化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使麻纖維和PLA界面粘附力發(fā)生不同程度的變化，改善麻纖維在其中分散程度[11]。由于麻纖維種類不同，其基本組成成分及含量不同，則常用的界面處理也不盡相同，表2 是PLA／麻纖維復(fù)合材料的界面處理方法。

表2 PLA／麻纖維復(fù)合材料的界面處理方法

P.Maichin 等[12]研究了大麻纖維在堿性復(fù)合材料基體中的自身界面性能以及與復(fù)合材料基體的界面粘結(jié)性能，為其它麻類纖維及天然纖維素纖維應(yīng)用于綠色復(fù)合材料的研發(fā)提供理論依據(jù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)的復(fù)合材料制備過程中纖維界面堿處理工藝。O.Shubhashini 等[13]分別用NaoH、硅烷溶液、乙酰酐溶液對大麻纖維進行界面改性，結(jié)果表明，硅烷和乙酰酐改性所需能量要高于NaoH 堿處理，三種方式皆達到改善大麻纖維和PLA 的界面相容性的目的。Pan Liai 等[14]采用NaoH溶液、硅烷偶聯(lián)劑對大麻纖維進行界面改性處理，使大麻纖維和PLA 基體的界面相容粘結(jié)性能得到改善，同時有效改善PLA／麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。劉璇等[15]對苧麻纖維表面采用冷等離子體進行處理，有效去除了其表面雜質(zhì)及膠質(zhì)，提高了其與復(fù)合材料基體粘結(jié)力。皮超雄[16]采用環(huán)氧硅油成功實現(xiàn)對苧麻纖維的表面改性處理，有效改善了苧麻纖維表面浸潤性及與復(fù)合材料基體的界面相容粘結(jié)力。楊明等[17]用硅烷偶聯(lián)劑對劍麻纖維進行表面改性。A.F.M.Fahad Halim 等[18]采用一種新的化學(xué)方法對羅布麻纖維進行表面處理改性。

由麻纖維界面改性處理文獻的研究發(fā)現(xiàn)，有關(guān)PLA／麻纖維復(fù)合材料制備及應(yīng)用的麻纖維表面改性處理的方法很多，但在一定程度上并沒有克服環(huán)境污染等問題。堿處理方法歷史悠久且價格低廉，效率高而被廣泛采用。硅烷偶聯(lián)劑在改善麻纖維表面特性的同時對提高其PLA 復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)等方面效果良好，應(yīng)用越來越多。另外，關(guān)于羅布麻纖維的表面改性多用于紡紗、織造等方面應(yīng)用[19]，應(yīng)用于綠色復(fù)合材料的制備研究較少，而PLA／麻類纖維復(fù)合材料界面改性的研究為羅布麻纖維在PLA／羅布麻纖維綠色復(fù)合材料的制備研究方面提供了扎實的理論基礎(chǔ)研究支撐。

2.2 PLA／麻纖維復(fù)合材料成型加工方法

復(fù)合材料的成型技術(shù)有：噴射成型、片狀模塑料成型、層壓成型、樹脂傳遞模塑成型、纏繞成型、熔融浸漬成型、模壓成型、注射成型和拉擠成型等[20]。PLA／復(fù)合材料成型加工制備方式與麻纖維和PLA 形態(tài)以及復(fù)合材料的研發(fā)性能要求息息相關(guān)。不同的成型工藝對麻纖維和PLA 基體的界面粘結(jié)性有直接影響，進而影響復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的傳遞及轉(zhuǎn)移，最終影響復(fù)合材料的性能和質(zhì)量[21]。

(1)擠出、注射成型。

擠出成型多應(yīng)用于粉粒狀PLA 與粉狀或長短天然纖維混合時的場合[22]。注射成型則是將原料混合塑化，通過氣流和壓力注入模具腔，冷卻成型[23]。姜愛菊等[24]采用擠出共混、注射成型方式制備了PLA／黃麻纖維復(fù)合材料，并通過對堿處理黃麻纖維與PLA 間界面形態(tài)及其復(fù)合材料力學(xué)性能進行了研究，該工藝有效提高了堿處理黃麻纖維和PLA界面粘結(jié)性以及復(fù)合材料的沖擊性能。

孫旭鵬[25]將黃麻纖維和PLA 熔融共混通過擠出注射成型法制備PLA／黃麻纖維復(fù)合材料，研究了黃麻纖維表面改性對復(fù)合材料的界面性能的影響。結(jié)果表明，擠出注射成型法有效實現(xiàn)了界面改性后的黃麻纖維和PLA 基體的界面粘結(jié)性。宋亞男[26]采用螺桿擠出機以大麻纖維和PLA 纖維混紡紗纖維球為對象，采用擠出注射成型法制備PLA／麻纖維復(fù)合材料，提高了大麻纖維在PLA 基體中的均勻分散程度，改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

擠壓、注射成型具有批量生產(chǎn)的特點，適用于產(chǎn)業(yè)化大量生產(chǎn)，但材料易受到成型過程中溫度及剪切作用的影響而發(fā)生性能損失。

(2)模壓成型。

模壓成型[27]是在結(jié)構(gòu)相對簡單的模具中放入用于模壓制備的原料，再施加一定的溫度和壓力，使模壓原料發(fā)生固化而成型。該工藝適用于流動性能較差的天然纖維復(fù)合材料的制備，且操作簡單，是麻纖維復(fù)合材料制備中應(yīng)用最廣泛的成型工藝，具體流程如圖1 所示。

圖1 復(fù)合材料模壓成型工藝

根據(jù)麻纖維和PLA 的狀態(tài)分為預(yù)混、層疊、纏繞等模壓成型[28]。其中層疊模壓成型技術(shù)因可調(diào)節(jié)纖維和復(fù)合材料基體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和層疊參數(shù)，而更多適應(yīng)于片材、薄膜、無紡布型PLA、麻纖維復(fù)合材料制備。

劉常衡[29]通過層疊熱壓模塑工藝制備了PLA／亞麻復(fù)合材料，通過亞微觀形貌分析，亞麻纖維和PLA 界面粘結(jié)性得到改善，復(fù)合材料具有良好的彎曲及沖擊性能。M.S.Huda 等[30]采用每兩層PLA 膜之間夾一層紅麻纖維的層疊結(jié)構(gòu)，通過熱壓成型制備PLA／紅麻纖維復(fù)合材料，增強了紅麻纖維和PLA 的界面相容性，提高了PLA／紅麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)和熱學(xué)性能。具體層疊熱壓工藝如圖2 所示。杜思琦等[31]采用機織黃麻布和PLA 利用層疊熱模壓成型制備了PLA／黃麻纖維復(fù)合材料。梅小雪[32]以羅布麻纖維無紡布和PLA 膜間隔疊層，通過層壓成型技術(shù)，制備了PLA／羅布麻纖維復(fù)合材料，圖3 為PLA／羅布麻纖維復(fù)合材料層壓工藝示意圖。

圖2 PLA／紅麻纖維復(fù)合材料層疊熱壓工藝

圖3 PLA／羅布麻纖維復(fù)合材料層壓工藝

層疊熱壓工藝制備的復(fù)合材料纖維含量高，力學(xué)性能優(yōu)良，在PLA／麻纖維復(fù)合材料的制備中應(yīng)用較為普遍，但是其綜合力學(xué)性能還不夠高。模壓成型方便靈活，但不適合成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料。隨著人們對PLA／麻纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的深入研究，結(jié)合高新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，PLA／麻纖維復(fù)合材料制備成型工藝也在不斷改善。李志剛等[33]為擴展PLA／麻纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，研發(fā)適用于制備力學(xué)性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的復(fù)合材料，提出了3 種PLA／漢麻纖維復(fù)合材料的制備成型工藝，圖4 為PLA／漢麻纖維復(fù)合材料制備工藝流程。

另外，研究發(fā)現(xiàn)PLA／麻纖維復(fù)合材料的制備成型工藝不再是采取單一的成型方式，而是向多種方式及因素相結(jié)合的復(fù)合型、新型高新技術(shù)融合型發(fā)展，而針對PLA／羅布麻纖維綠色復(fù)合材料的制備卻鮮有報道。

圖4 PLA／漢麻纖維復(fù)合材料制備工藝流程

3 PLA／麻纖維復(fù)合材料的性能研究

PLA／麻纖維復(fù)合材料集麻纖維、PLA 自身性能于一體，麻纖維的融入對PLA／麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、阻燃、抗菌等均有影響。

3.1 力學(xué)性能

在PLA／麻纖維復(fù)合材料中，所采用的麻纖維種類、復(fù)合結(jié)構(gòu)形態(tài)、界面性質(zhì)以及復(fù)合材料成型工藝等對復(fù)合材料力學(xué)性能均有巨大影響。一種復(fù)合材料的制備首先要具有相應(yīng)的良好力學(xué)性能才能保證該復(fù)合材料的應(yīng)用，而復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域不同所需力學(xué)性能不同，基于此，研究者普遍對PLA／麻纖維復(fù)合材料力學(xué)特性進行研究。

王春紅等[34]研究了經(jīng)過堿氧–浴法處理的洋麻纖維–棉纖維混紡織物的不同混紡比對PLA／混紡織物復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。李鑫等[35]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行化學(xué)改性，通過對不同鋪層角度的不飽和聚酯樹脂／苧麻織物(UPR／苧麻)復(fù)合材料力學(xué)性能進行研究，提升復(fù)合材料的力學(xué)性能以及界面粘合。Luo Honglin 等[36]制備了PLA／劍麻纖維復(fù)合材料，并對其動、靜態(tài)力學(xué)特性進行了實驗測試與分析，表明纖維含量對其復(fù)合材料的力學(xué)性能影響顯著，通過纖維混雜比的進一步優(yōu)化制備了動靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合材料。

3.2 熱學(xué)性能

對于PLA／麻纖維復(fù)合材料，PLA 自身耐熱性性能較差，因此麻纖維和PLA 相互融合而制備的復(fù)合材料呈現(xiàn)的熱學(xué)特性被人們關(guān)注，熱學(xué)性能與PLA／麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)、耐熱性、耐老化等性能息息相關(guān)[37]。

杜思琦[38]對黃麻纖維采用堿處理界面改性后，制備了PLA／黃麻纖維復(fù)合材料，并對其熱學(xué)、力學(xué)特性進行了測試分析，表明堿處理弱化了纖維耐熱性，但對PLA／黃麻纖維復(fù)合材料的熱學(xué)性能影響不大。李明[39]采用硅烷偶聯(lián)劑對黃麻纖維進行表面處理制備PLA／黃麻纖維復(fù)合材料，并對其熱學(xué)性能進行分析，黃麻纖維的界面處理使復(fù)合材料結(jié)晶度提高，起到了成核劑的作用，當含量較高時，有兩個熔融吸熱峰出現(xiàn)。

3.3 阻燃性能

麻纖維屬于纖維素纖維，本身易燃，而PLA 屬于聚酯類，極限氧指數(shù)只有20%，阻燃性能差，為擴大PLA／麻纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，其阻燃性研究則必不可少。

龐錦英等[40]采用劍麻纖維、PLA 為原料，添加綠色膨脹型阻燃劑(TFR)，制備阻燃PLA／劍麻纖維復(fù)合材料，并測試分析了該復(fù)合材料土埋前后的阻燃性，表明隨土埋時間的增加復(fù)合材料的阻燃性能增加。左敏等[41]以PLA、廢棄麻纖維為原料通過添加阻燃劑制備具有阻燃性能的PLA／廢棄麻纖維復(fù)合材料，并通過實驗分析發(fā)現(xiàn)PLA、阻燃劑的含量分別為60%，30%時復(fù)合材料的阻燃性能最優(yōu)。王春紅[42]通過對苧麻纖維織物采用堿、阻燃劑、硅烷偶聯(lián)劑相互結(jié)合的方式進行表面改性處理，制備出無熔滴現(xiàn)象的PLA／苧麻纖維織物復(fù)合材料。王蛟等[43]采用9，10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(DOPO)對PLA 進行阻燃改性，并與苧麻纖維復(fù)合制備阻燃型纖維復(fù)合材料，表明DOPO 的改性處理提高了PLA／苧麻纖維織物復(fù)合材料的極限氧指數(shù)及阻燃性能。

PLA／麻纖維復(fù)合材料阻燃性能研究主要集中于針對苧麻纖維、黃麻纖維及劍麻纖維改性PLA 復(fù)合材料的阻燃性能研究，研究內(nèi)容包括阻燃劑含量及工藝條件、麻纖維阻燃改性及PLA 阻燃改性機理。阻燃改性在一定程度上影響麻纖維、PLA 的綠色可降解性能，另外阻燃改性時使用的化學(xué)試劑還會帶來一定程度的環(huán)境污染。隨時間的延長添加的阻燃劑會有小分子遷移到復(fù)合材料表面進而影響復(fù)合材料的外觀和相關(guān)性能。因此，研發(fā)高度交聯(lián)型及原位反應(yīng)型綠色阻燃劑、利于阻燃的PLA／麻纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)將是PLA／麻纖維復(fù)合材料阻燃性能研究的趨勢。

3.4 抗菌等性能

苧麻、亞麻、大麻、羅布麻纖維自身具有一定的抗菌性，對其綠色復(fù)合材料抗菌性的研究也逐漸被人們所重視。梅小雪[32]研究制備了PLA／羅布麻纖維復(fù)合材料、PLA／苧麻纖維復(fù)合材料的抗菌性。試驗結(jié)果表明，PLA／羅布麻纖維復(fù)合材料優(yōu)于PLA／苧麻纖維復(fù)合材料，這對羅布麻纖維復(fù)合材料在抑菌方面的應(yīng)用提供了有力支持。

綜上，PLA／麻纖維復(fù)合材料的性能應(yīng)用研究大多集中在力學(xué)、熱學(xué)、阻燃等性能，而對抗菌性、聲學(xué)、遠紅外、抗紫外等性能研究甚少，而部分麻纖維卻具備該性能，因此充分發(fā)揮麻纖維自身性能制備功能性PLA／麻纖維復(fù)合材料是研究趨勢，如苧麻、亞麻、大麻、羅布麻纖維的抗菌性、羅布麻纖維的遠紅外、抗紫外等性能。

4 展望

PLA／麻纖維復(fù)合材料作為一種綠色復(fù)合材料，對環(huán)境保護、資源有效利用具有十分重要意義，其廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、建筑業(yè)等領(lǐng)域，具有十分良好的發(fā)展前景。由于麻纖維是天然植物纖維，并不具有合成纖維的標準的形態(tài)，因此需進一步探究如何提高PLA／麻纖維復(fù)合材料的制備工藝性及性能。主要從界面粘結(jié)性、成型方式、性能研究等方面改善：(1)設(shè)計開發(fā)簡潔綠色、高效、低成本麻纖維界面處理方法，提高麻纖維與PLA 的界面粘結(jié)性及均勻分散性；(2)開發(fā)簡單高效、低成本的復(fù)合材料成型工藝，實現(xiàn)麻纖維資源的高效循環(huán)利用；(3)充分發(fā)揮麻纖維自身性能，設(shè)計合理復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，制備功能性PLA／麻纖維復(fù)合材料；(4)結(jié)合PLA／麻纖維復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，開發(fā)PLA／羅布麻纖維復(fù)合材料，拓寬羅布麻纖維的應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮羅布麻纖維自身價值。