PLA/黃麻層壓復合材料的紫外老化性能

鄒 婷，宋雪旸，王 萍

PLA/黃麻層壓復合材料的紫外老化性能

鄒 婷，宋雪旸，王 萍*

（蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215000）

為了探索紫外照射對PLA/黃麻層壓復合材料性能的影響，延長復合材料在實際應用中的使用壽命，采用模壓成型法和薄膜堆疊法制備PLA/黃麻層壓復合材料，研究紫外老化時間對復合材料力學性能的影響，并對復合材料拉伸后的斷口形貌進行分析。結果表明：隨著紫外老化時間的延長，復合材料的拉伸和彎曲性能均表現(xiàn)為先上升后下降，均在老化48 h后達到最大，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量較未老化的復合材料分別提高了約19.29%、17.73%、23.49%和24.97%。這可能是由于在老化時間較短時，PLA分子鏈交聯(lián)占據(jù)主導作用，提高了界面粘結性。隨著老化時間進一步延長，拉伸和彎曲性能開始不斷下降，這可能是由于PLA分子鏈的老化斷裂開始起主導作用，導致界面粘結性下降。

黃麻；PLA；復合材料；紫外老化；力學性能

0 引言

黃麻價格低廉，種植廣泛，產量較高[1]，且具有良好的斷裂強度、耐熱性能、抗菌性能、可生物降解性以及可再生性等，近年來廣泛應用于復合材料增強體[2-4]。

聚乳酸(PLA)的主要合成原料為乳酸[5]，具有良好的生物相容性、生物可降解性和力學性能等，且安全無毒，但其也存在較脆、韌性差、抗沖擊性差等不足，限制了其在很多領域的應用[6-8]。因此采用麻纖維作為增強體，有利于改善PLA的性能，制備的PLA/黃麻復合材料的拉伸、彎曲性能和沖擊強度都一定程度的提高[9, 10]。

PLA/黃麻復合材料作為一種可生物降解的綠色復合材料，為復合材料的循環(huán)使用提供了可能性，因此近年來備受關注，在汽車、航空航天和建筑等領域有著廣泛的應用[11,12]。目前對PLA/黃麻復合材料力學性能的研究很多：Fang等[4]研究了成型溫度和加熱時間對PLA/黃麻層壓復合材料力學性能的影響。在改性方面，國內外眾多學者研究了不同的改性處理對PLA/黃麻復合材料力學性能的影響。張仁貴[13]對黃麻進行酸、堿以及偶聯(lián)劑處理；李明[14]對黃麻進行堿處理、表面硅烷處理以及用馬來酸酐接枝聚乳酸；孫旭鵬[15]對黃麻進行堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理以及二者聯(lián)合處理； Delgado-Aguilar等[16]用次氯酸鈉漂白黃麻；Manral等[17]用不同濃度的碳酸氫鈉處理黃麻。但目前在PLA/黃麻復合材料紫外老化方面的研究鮮有報道。

PLA/黃麻復合材料在使用過程中避免不了受到紫外照射，長時間使用時會導致其力學性能大幅下降，影響使用壽命。因此，探究PLA/黃麻復合材料紫外老化規(guī)律對其工程實際應用具有重要意義[12]。本文選用黃麻非織造材料作為增強體，PLA作為基體，采用熱壓法制備PLA/黃麻層壓復合材料。隨后對其進行紫外光老化處理，探索紫外照射時長對PLA/黃麻復合材料力學性能的影響規(guī)律，分析復合材料的紫外老化機理。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：黃麻纖維針刺絮片（克重為222±2 g/m2），購自江西利風麻業(yè)有限公司；聚乳酸（PLA；4032 d；1.24 g/cm3）購自美國Nature Works公司。

儀器：DHG-9053A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海申賢恒溫設備廠；YP10001型電子天平，上海上天精密儀器有限公司；HG-3621型手動熱壓成型機，恒廣科技股份有限公司；ADJ230型帶鋸切割機，金華市脈拓工具有限公司；QUV/spray型QUV紫外光老化加速試驗機，美國Q-lab公司；INSTRON 3365型萬能試驗機，美國英斯特朗公司；TM3030型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 PLA薄膜的制備

將PLA顆粒在80 ℃的烘箱中干燥3小時，干燥后取10 g左右均勻地放在兩層耐高溫布（聚四氟乙烯）之間，將耐高溫布放入硫化機的上下熱壓板之間，在190 ℃的溫度下制備PLA薄膜，在5 MPa的壓力下保持3 min，隨后在30 MPa的壓力下保持1 min，取出冷卻后，制得PLA薄膜（克重為267±2 g/m2）。

1.2.2 PLA/黃麻層壓復合材料的制備

將PLA薄膜和黃麻纖維針刺絮片在80 ℃的烘箱中干燥3小時。采用薄膜疊加的方法，將兩層黃麻絮片平行排列在三層PLA薄膜之間，鋪疊好后用耐高溫布將其包裹住（防止PLA粘住模具以致模具難以打開），放入模具（150 mm × 150 mm）中，隨后在硫化機上下熱壓板間進行熱壓，模壓溫度為190 ℃。在5 MPa的壓力下保持3 h后，在模具中自然冷卻，冷卻后打開模具，取出PLA/黃麻層壓復合材料。

1.2.3 PLA/黃麻層壓復合材料紫外老化處理

將切割好的PLA/黃麻層壓復合材料放入QUV紫外光老化加速試驗機中，試驗機采用UVA340燈管，輻照度為0.68 W/m2，將試驗機溫度設置為50 ℃，每隔24 h取一次樣，共取五次樣。

1.3 測試與表征

1.3.1 拉伸性能測試

采用美國ASTM D3039標準（聚合物基復合材料拉伸性能標準試驗方法）對紫外處理前后的PLA/黃麻層壓復合材料進行拉伸性能測試。將層壓板切割成尺寸為125 mm × 12.5 mm的形狀，并在電子萬能試驗機上以2 mm/min的位移速率進行拉伸測試。

1.3.2 拉伸斷口形貌測試

通過臺式SEM（TM3030, 日本日立公司）觀察紫外處理前后的PLA/黃麻層壓復合材料拉伸測試后的斷口形貌。對待測樣品首先進行180 s的噴金處理，隨后用場發(fā)射槍在3.0 kV的加速電壓下對試樣進行觀察。

1.3.3 彎曲性能測試

根據(jù)GBT1449-2005標準（纖維增強塑料彎曲性能試驗方法）對紫外照射前后的復合材料樣品進行三點彎曲測試。將樣品切成尺寸為70 mm × 10 mm的標準形狀，跨距為58 mm，通過具有三點夾具的電子萬能試驗機以2 mm/min的速度進行彎曲測試。

2 結果與討論

2.1 復合材料紫外老化前后的拉伸性能

圖1為紫外老化前后PLA/黃麻復合材料的拉伸應力-應變曲線圖以及拉伸強度和拉伸模量柱狀圖。從圖中可以看出，隨著紫外照射時間的延長，復合材料的拉伸強度和模量均表現(xiàn)為先上升后下降。在老化48 h內，復合材料的拉伸性能呈現(xiàn)上升的趨勢，老化48 h時達到最大，拉伸強度達到10.14 MPa，比未經(jīng)紫外老化的樣品提高了約19.29%，拉伸模量達到1832.99 MPa，比未經(jīng)紫外老化的樣品提高了約17.73%。老化48 h后，復合材料的拉伸性能呈現(xiàn)下降的趨勢，在老化時間達到120 h時，拉伸性能大幅度下降，拉伸強度為5.56 MPa，比未老化的樣品下降了約34.59%，拉伸模量為753.24 MPa，比未老化的樣品下降了約51.62%。

圖1 紫外老化前后PLA/黃麻復合材料的拉伸應力-應變曲線圖以及拉伸強度和拉伸模量柱狀圖

圖2 PLA/黃麻復合材料的紫外老化機理

圖2為PLA/黃麻復合材料的紫外老化機理。從圖2可以看出，復合材料紫外老化后拉伸性能呈現(xiàn)出先上升后下降的原因可能是，在紫外老化過程中，PLA同時發(fā)生分子鏈交聯(lián)和分子鏈斷裂，在老化48 h內，鏈交聯(lián)發(fā)揮主要作用，使得PLA/黃麻復合材料的界面粘結性提高，因此復合材料的拉伸強度和拉伸模量提高。隨紫外老化時間的延長，分子鏈斷裂開始發(fā)揮主要作用，復合材料產生微裂紋，PLA發(fā)生降解脫落，復合材料的界面粘結性變差，導致其拉伸性能下降[18, 19]。

2.2 復合材料紫外老化前后的拉伸斷口形貌

圖3為紫外老化前后PLA/黃麻復合材料的拉伸斷口形貌圖，圖中（a）、（b）、（c）、（d）依次為未老化、老化24 h、老化48 h、老化120 h的復合材料的拉伸斷口形貌。從圖中可以看出，未老化、老化24 h和老化48 h的復合材料中黃麻纖維和基體間的粘結較好，被拉出的纖維長度短，PLA基體中殘留的孔洞少，大部分黃麻纖維僅在發(fā)生斷口位置斷裂，總體上呈脆性斷裂，這表明PLA可以較好地滲入黃麻纖維間，黃麻纖維增強體與PLA基體的界面粘結性較好。而老化120 h后，復合材料中的PLA大量降解脫落，黃麻纖維和PLA基體間的粘結性變差，導致大量黃麻纖維從基體中被拉出。

圖3 紫外老化前后PLA/黃麻復合材料的拉伸斷口形貌圖

2.3 復合材料紫外老化前后的彎曲性能

圖4為紫外老化前后PLA/黃麻復合材料的彎曲應力-應變曲線圖以及彎曲強度和彎曲模量柱狀圖。從圖中可以看出，隨著紫外時間的延長，復合材料的彎曲強度和模量均表現(xiàn)為先上升后下降。在老化48 h內，復合材料的彎曲性能呈現(xiàn)出上升的趨勢，老化48 h時達到最大，彎曲強度和彎曲模量分別達到25.76 MPa和4411.67 MPa，比未經(jīng)紫外老化的樣品分別提高了約23.49%和24.97%。老化48 h后，復合材料的彎曲性能呈現(xiàn)下降的趨勢，在老化時間達到120 h時，彎曲強度和彎曲模量分別為17.45 MPa和3146.86 MPa，比未老化的樣品分別下降了約16.35%和10.86%。這種現(xiàn)象可能仍是由于PLA分子鏈的交聯(lián)和斷裂對復合材料界面粘結性的影響不同而引起的，在老化48 h內，PLA鏈交聯(lián)起主導作用，復合材料界面粘結性提高，導致彎曲性能提高，隨著紫外老化時間的延長，PLA分子鏈斷裂發(fā)揮主要作用，復合材料的界面粘結性下降，導致彎曲性能下降[18, 19]。

圖4 紫外老化前后PLA/黃麻復合材料的彎曲應力-應變曲線圖以及彎曲強度和彎曲模量柱狀圖

3 結論

（1）隨著紫外老化時間的延長，PLA/黃麻層壓復合材料的拉伸性能和彎曲性能均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。均在老化48 h后達到最大，拉伸強度和拉伸模量較未老化的復合材料分別提高了約19.29%和17.73%，而彎曲性能的提升幅度比拉伸性能大，彎曲強度和彎曲模量分別提高了約23.49%和24.97%。

（2）紫外照射時間對PLA/黃麻層壓復合材料的界面粘結性有顯著影響，從而影響復合材料的力學性能。復合材料在老化48 h內，黃麻和PLA粘結較好，導致復合材料力學性能提高。而老化120 h后，PLA和黃麻的粘結變差，大量黃麻纖維從基體中被拉出，復合材料的力學性能大幅下降。

（3）如何利用PLA/黃麻層壓復合材料的紫外老化規(guī)律來優(yōu)化復合材料的制備方法，以延長復合材料的使用壽命是未來研究的重點。

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UV Aging Properties of PLA / Jute Laminated Composites

ZOU Ting，SONG Xue-yang，WANG Ping

(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215000, China)

In order to explore the effect of UV irradiation time on the properties of PLA / jute laminated composites and increase the service life of composites in practical application, PLA / jute laminated composites were prepared by molding method and film stacking method. The effects of UV aging time on the mechanical properties of the composites were studied, and the fracture morphology of the composites after tensile was analyzed. The results show that with the extension of UV aging time, the tensile properties and flexural properties of composites first increase and then decrease, reaching the maximum after aging for 48 h. The tensile strength, tensile modulus, flexural strength and flexural modulus were increased by 19.29%, 17.73%, 23.49% and 24.97% respectively. This may be due to the fact that PLA molecular chain crosslinking plays a dominant role with relatively short aging time, which improves the interfacial adhesion. With the further extension of aging time, the tensile properties and flexural properties began to decrease continuously. This may be due to the aging and fracture of PLA chains play a dominant role, which leads to the decrease of inter-facial adhesion.

jute; PLA; composites; UV aging; mechanical properties

通訊作者：王萍（1984-），女，副教授，博士，研究方向：紡織復合材料力學性能.

國家自然科學基金-青年科學基金項目（11602156）；2021江蘇省先進紡織工程技術中心開放課題基金科研項目-重點項目（XJFZ/2021/3）；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導性項目（2020064）.

TB 332

A

2095－414X(2022)04－0017－05