纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)麻纖維復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

高丙文 郁崇文 張 斌

（東華大學(xué)，上海，201620）

傳統(tǒng)農(nóng)用地膜以聚乙烯或聚丙烯膜為主，難以自然降解，加上回收成本高，其碎片多數(shù)殘留在土壤中，造成農(nóng)田白色污染以及土壤次生鹽堿化，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來危害［1］。為解決傳統(tǒng)農(nóng)用地膜給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境帶來的問題，開發(fā)可自然降解地膜成為有效途徑之一［2］。天然麻纖維具有很好的生物降解性能和力學(xué)性能，將其梳理成網(wǎng)后，采用非織造加工方法，可制得麻纖維膜，此類膜在土壤中可生物降解，是理想的地膜產(chǎn)品之一［3?6］。

纖維網(wǎng)作為麻地膜的主體結(jié)構(gòu)成分，對(duì)膜性能有直接影響。纖維網(wǎng)中纖維含量的高低一般用單位面積纖維網(wǎng)質(zhì)量——面密度衡量，纖維網(wǎng)面密度不僅與原料成本直接相關(guān)，而且影響地膜質(zhì)量。王朝云等比較了3種不同面密度麻纖維膜的力學(xué)性能，通過適當(dāng)增加纖維網(wǎng)面密度可以增強(qiáng)地膜［7］；王思意等比較了5種不同面密度的麻纖維膜，隨著面密度增加，膜的拉伸斷裂強(qiáng)度逐漸增大［8］。膜的力學(xué)性能除與纖維網(wǎng)面密度有關(guān)外，與纖維在膜內(nèi)的排列方向也有關(guān)。長度方向是纖維受力的主體方向，如有較多的纖維在長度方向承擔(dān)外力作用，則材料呈現(xiàn)較高的強(qiáng)力，這一現(xiàn)象在劉誠、李鑫等對(duì)麻纖維復(fù)合材料的研究中得到體現(xiàn)［9?10］。他們通過改變纖維網(wǎng)鋪層取向角度，得到纖維排列方向不同的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)性能隨著鋪層取向角度的變化而變化，其原因是不同鋪層取向角度改變了麻纖維在復(fù)合材料內(nèi)的排列方向，使材料不同方向的承力纖維數(shù)量不同。與此類似，麻纖維膜也是采用纖維網(wǎng)鋪層成膜，纖維排列方向?qū)δさ牧W(xué)性能也存在影響。汪洪鷹和谷田雨等發(fā)現(xiàn)麻纖維膜的拉伸斷裂強(qiáng)力均呈現(xiàn)縱向遠(yuǎn)大于橫向的現(xiàn)象，分析其原因也是由于麻纖維主要呈縱向分布，縱向承力纖維多，橫向承力纖維少所致［11?12］。纖維在膜中的排列方向可以通過改變纖維網(wǎng)鋪層取向角度來調(diào)整，因此纖維網(wǎng)的鋪層取向角度對(duì)膜性能有著較大影響。

以上說明纖維網(wǎng)面密度和鋪層取向角度是制備麻纖維膜的兩個(gè)重要參數(shù)，直接影響膜的力學(xué)性能，然而對(duì)二者的研究卻不多，更沒有將二者結(jié)合起來探索。本研究采用淀粉基塑料膜與麻纖維網(wǎng)熱壓制得麻纖維復(fù)合膜，探討纖維網(wǎng)的面密度和鋪層取向角度與復(fù)合膜力學(xué)性能間的關(guān)系，以制備出力學(xué)性能較優(yōu)的麻纖維復(fù)合膜。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

黃麻落麻纖維由湖南湘南麻業(yè)有限公司提供，平均細(xì)度2.9 tex，平均細(xì)度CV37%；平均長度30.47 mm，平均長度CV29%；平均斷裂強(qiáng)力64.50 cN，平均斷裂強(qiáng)力CV35%。淀粉基塑料膜由浙江臺(tái)州騰迪日用品有限公司提供，主要成分為改性玉米淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）和低密度聚乙烯（LDPE），薄膜厚度0.020 mm±0.002 mm，平均面密度8 g/m2。麻絲束由浙江金鷹股份有限公司提供，細(xì)度16.0 tex；平均斷裂強(qiáng)力242.12 cN，平均斷裂強(qiáng)力CV47%。

1.2 麻纖維復(fù)合膜的制備

稱取除雜后的絕干麻纖維適量，將其均勻平鋪在小型梳棉機(jī)上，梳理后制得一定面密度的均勻麻纖維網(wǎng)。取兩塊麻纖維網(wǎng)，按其各自的鋪層取向角度疊放在兩塊淀粉基塑料膜之間，然后通過平板硫化機(jī)在溫度135℃、壓力6 MPa下熱壓120 s，制得麻纖維復(fù)合膜。

纖維網(wǎng)的鋪層取向角度如圖1所示，以梳理機(jī)輸出方向?yàn)槔w維網(wǎng)縱向基準(zhǔn)，復(fù)合膜纖維網(wǎng)長度方向與其夾角，稱為纖維網(wǎng)鋪層取向角。上、下兩層纖維網(wǎng)鋪層取向角度分別為a°和b°，麻纖維復(fù)合膜鋪層取向角度以a/b表示。

圖1 纖維網(wǎng)鋪層取向角度

1.3 麻纖維復(fù)合膜性能測(cè)試

農(nóng)用膜應(yīng)用中會(huì)受到拉伸、鉤掛或撕扯等作用，同時(shí)需具有較好的柔軟性，以緊密貼伏地面。因而本研究評(píng)價(jià)麻纖維復(fù)合膜的力學(xué)性能時(shí)選用斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度3個(gè)指標(biāo)。分別參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定（條樣法）》、GB/T 3917.1—2009《紡織品 織物撕破性能 第1部分：沖擊擺錘法撕破強(qiáng)力的測(cè)定》、GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定第1部分：斜面法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 麻纖維網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

在纖維網(wǎng)鋪層取向角度為0/0時(shí)，選取面密度為8 g/m2、12 g/m2、16 g/m2、20 g/m2和24 g/m2的麻纖維網(wǎng)，分別與淀粉基塑料膜熱壓復(fù)合，制得的麻纖維復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度如圖2所示。

圖2 麻纖維網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

從圖2可以看出，復(fù)合膜橫向和縱向的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度均隨著麻纖維網(wǎng)面密度增加而增加，且縱向均大于橫向。當(dāng)面密度小于16 g/m2時(shí)，復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力增幅較大，抗彎剛度增幅較??；當(dāng)面密度大于16 g/m2時(shí)，復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力增幅則相對(duì)較小，而抗彎剛度增幅較大。

纖維網(wǎng)面密度較低時(shí)，復(fù)合膜單位體積內(nèi)的纖維數(shù)量較少，承力纖維相應(yīng)較少；并且纖維間的纏結(jié)抱合也較少，纖維易被抽拔出復(fù)合膜，致使復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力偏低。隨著纖維網(wǎng)面密度增加，單位體積內(nèi)的麻纖維數(shù)量增多，較多的纖維承擔(dān)外力作用。同時(shí)，纖維間的纏結(jié)抱合增強(qiáng)，可使較多的纖維共同承受負(fù)荷，纖維抽拔力增加，因而復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力增大。撕裂時(shí)，纖維的伸長和滑移使復(fù)合膜在撕裂口處形成三角區(qū)，當(dāng)纖維網(wǎng)面密度較低時(shí)，纖維數(shù)量較少且排列分散，容易被外力拉斷和抽拔出復(fù)合膜，撕破強(qiáng)力較低；隨著纖維網(wǎng)面密度增加，復(fù)合膜內(nèi)纖維數(shù)量增多，能夠承受更大的外力作用，撕破強(qiáng)力逐漸增大；纖維較多時(shí)使纖維間的纏結(jié)增多，纖維滑移緩沖撕破力的作用降低，撕破三角區(qū)變小，因而復(fù)合膜在橫縱向的撕破強(qiáng)力增幅漸緩。纖維網(wǎng)面密度較低時(shí)，膜內(nèi)纖維分散，纖維間黏結(jié)較少，復(fù)合膜的剛度較低，膜較柔軟；隨著面密度增加，復(fù)合膜內(nèi)纖維數(shù)量增多，纖維間的纏結(jié)和黏合增加，復(fù)合膜剛度增大，柔軟性降低。

綜合考慮纖維網(wǎng)面密度變化時(shí)復(fù)合膜強(qiáng)力和其增幅的變化、復(fù)合膜的柔軟貼地性以及原料成本，纖維網(wǎng)面密度取16 g/m2較合適。

2.2 麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

將面密度為16 g/m2的兩塊麻纖維網(wǎng)，按照鋪層取向角度為0/0、0/45、0/90、45/45和45/135，分別與淀粉基塑料膜熱壓復(fù)合，制得麻纖維復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度如圖3所示。

圖3 麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

由圖3可以看出，當(dāng)上層麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度0°，下層麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度從0°增加到90°時(shí)，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力減小，橫向斷裂強(qiáng)力增大；當(dāng)鋪層取向角度0/90時(shí)，橫向斷裂強(qiáng)力達(dá)到最大值，縱向斷裂強(qiáng)力處于最小值；當(dāng)上層麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度45°，下層麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度45°和135°時(shí)，復(fù)合膜橫縱向斷裂強(qiáng)力大小接近，但均比0/90小。

當(dāng)上層麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度0°時(shí)，層內(nèi)纖維主要分布在縱向，隨著下層纖維網(wǎng)鋪層取向角度增大，該層內(nèi)纖維分布由縱向變?yōu)闄M向，復(fù)合膜內(nèi)縱向纖維數(shù)量減少，橫向纖維數(shù)量增加。拉伸時(shí)，由于橫縱向承力纖維的數(shù)量發(fā)生變化，隨著下層纖維網(wǎng)鋪層取向角度增大，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力下降，橫向斷裂強(qiáng)力增加。當(dāng)上層纖維網(wǎng)鋪層取向角度45°，下層纖維網(wǎng)鋪層取向角度45°和135°時(shí)，纖維分布在復(fù)合膜橫向、縱向之間。當(dāng)復(fù)合膜被橫向或縱向拉伸時(shí)，纖維承受的拉力在復(fù)合膜橫向和縱向的分力接近，復(fù)合膜橫向與縱向的斷裂強(qiáng)力差異不明顯。鋪層取向角度0/90時(shí)，纖維主要分布在橫向和縱向，其他方向分布纖維較少，使得鋪層取向角度0/90復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力在橫向和縱向均高于鋪層取向角度45/45和45/135的復(fù)合膜。

由圖3也可以看出，鋪層取向角度對(duì)復(fù)合膜撕破強(qiáng)力和抗彎剛度影響不明顯。復(fù)合膜撕破強(qiáng)力同時(shí)受膜本身斷裂強(qiáng)力與撕裂三角區(qū)的大小兩方面因素的共同作用，鋪層取向角度變化時(shí)，斷裂強(qiáng)力對(duì)撕破強(qiáng)力的增強(qiáng)與撕裂三角區(qū)對(duì)撕破強(qiáng)力的削弱相互抵消，使得復(fù)合膜的撕破強(qiáng)力無明顯變化?？箯潉偠扰c纖維網(wǎng)本身原料的剛性相關(guān)較大，在纖維網(wǎng)面密度一定的前提下，纖維的排列方向?qū)ζ溆绊懖淮?，使得抗彎剛度變化不明顯。

綜合考慮復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力以及抗彎剛度的變化，纖維網(wǎng)鋪層取向角度取0/90較合適。

2.3 麻絲束網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

調(diào)整鋪層取向角度雖然可以提高復(fù)合膜的橫向斷裂強(qiáng)力，使復(fù)合膜橫向和縱向斷裂強(qiáng)力差異明顯改善，降低復(fù)合膜使用過程中的弱環(huán)效應(yīng)，但該改善方法犧牲了一部分復(fù)合膜的縱向斷裂強(qiáng)力，使得復(fù)合膜強(qiáng)力低于傳統(tǒng)農(nóng)用塑料地膜。麻絲束是麻纖維的集合體，強(qiáng)力較高，應(yīng)用于復(fù)合膜有很好的增強(qiáng)效果。為了提高復(fù)合膜強(qiáng)力，本研究嘗試采用麻絲束增強(qiáng)的方法。試驗(yàn)中，將麻絲束排列成一定面密度的均勻麻絲束網(wǎng)，兩層絲束網(wǎng)以一定鋪層取向角度內(nèi)襯于上下層麻纖維網(wǎng)中，在熱壓作用下與淀粉基塑料膜復(fù)合。

將鋪層取向角度為0/0、面密度為0.8 g/m2、1.6 g/m2、2.4 g/m2、3.2 g/m2和4.0 g/m2的麻絲束網(wǎng)分別內(nèi)襯于面密度16 g/m2、鋪層取向角度0/90的兩層麻纖維網(wǎng)之間，然后與淀粉基塑料膜熱壓復(fù)合，制得增強(qiáng)型麻纖維復(fù)合膜，其斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度如圖4所示。

圖4 麻絲束網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

從圖4可以看出，復(fù)合膜的縱向斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力均隨著麻絲束網(wǎng)面密度增加而增加，而橫向斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力的變化不明顯；復(fù)合膜橫向和縱向抗彎剛度隨麻絲束網(wǎng)面密度增加而增加，尤其在面密度超過2.4 g/m2時(shí)，復(fù)合膜抗彎剛度增幅較大。隨著絲束網(wǎng)面密度增加，較多的麻絲束承擔(dān)增強(qiáng)作用，復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力增大。由于鋪層取向角度0/0的麻絲束網(wǎng)主要分布在復(fù)合膜縱向，因此橫向增強(qiáng)并不明顯。麻絲束網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜撕破強(qiáng)力影響的原因，也是由于面密度的變化改變了膜撕裂三角區(qū)的大小和承力載體。麻絲束網(wǎng)面密度對(duì)復(fù)合膜柔軟性的影響主要是由于絲束的剛性以及絲束與纖維間纏結(jié)和黏合。

綜合考慮麻絲束網(wǎng)面密度變化時(shí)復(fù)合膜性能變化，其網(wǎng)面密度取2.4 g/m2較合適。

2.4 麻絲束網(wǎng)鋪層取向角度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

將面密度為2.4 g/m2的兩塊麻絲束網(wǎng)，按照鋪 層 取 向 角 度 為0/0、0/45、0/90、45/45和45/135，分別內(nèi)襯于面密度16 g/m2、鋪層取向角度0/90的兩層麻纖維網(wǎng)之間，然后與淀粉基塑料膜熱壓復(fù)合，制得增強(qiáng)型麻纖維復(fù)合膜，其斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度如圖5所示。

圖5 麻絲束網(wǎng)鋪層取向角度對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能影響

由圖5可以看出，麻絲束網(wǎng)與麻纖維網(wǎng)鋪層取向角度的變化對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響相類似。麻絲束網(wǎng)分布方向由縱向變化到橫向時(shí)，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力減小，橫向斷裂強(qiáng)力增大，當(dāng)鋪層取向角度0/90時(shí)，復(fù)合膜斷裂強(qiáng)力處于較佳水平。麻絲束網(wǎng)鋪層取向角度對(duì)復(fù)合膜撕破強(qiáng)力和抗彎剛度的影響，與前文的研究相類似，無明顯影響。

綜合考慮麻絲束網(wǎng)鋪層取向角度變化時(shí)復(fù)合膜性能變化，其鋪層取向角度取0/90較合適。

3 結(jié)論

（1）麻纖維網(wǎng)和麻絲束網(wǎng)的面密度對(duì)麻纖維復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度影響較大，隨著麻纖維網(wǎng)面密度增加，復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和抗彎剛度逐漸增大；隨著麻絲束網(wǎng)面密度增加，復(fù)合膜縱向斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力增大，橫向斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力變化不明顯，橫向和縱向抗彎剛度增大。

（2）麻纖維網(wǎng)和麻絲束網(wǎng)的鋪層取向角度對(duì)麻纖維復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)力影響較大，對(duì)撕破強(qiáng)力和抗彎剛度的影響不明顯。鋪層取向角度為0/90時(shí)復(fù)合膜橫向斷裂強(qiáng)力較大，與縱向斷裂強(qiáng)力間的差異較小，有效改善了復(fù)合膜在不同方向受力時(shí)的弱環(huán)效應(yīng)。

（3）制備復(fù)合膜的較優(yōu)工藝參數(shù)：麻纖維網(wǎng)的面密度16 g/m2、鋪層取向角度0/90；麻絲束網(wǎng)的面密度2.4 g/m2、鋪層取向角度0/90。