不同成型工藝棕葉纖維/PHBV復合材料的力學性能

張 毅，楊 彬，趙文華

（1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，浙江紹興 312000；2.浙江中正檢測技術(shù)服務有限公司，浙江紹興 312000）

天然纖維復合材料具有良好的發(fā)展前景，既能利用豐富的自然資源研發(fā)出新結(jié)構(gòu)材料，又有利于環(huán)境保護、節(jié)約資源，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益［1-3］。當前，利用黃麻纖維制備的增強復合材料已經(jīng)在汽車、建筑等領(lǐng)域廣泛應用。棕葉纖維具有纖維長度長、斷裂強度高等優(yōu)良特性，具有很好的研究價值。近年來，張毅等［4-5］研究了棕葉纖維的化學脫膠工藝、精細加工工藝以及纖維性能，棕葉纖維精細化后斷裂強力為93 cN，柔軟度為301 捻/20 cm，線密度為0.54 tex，與黃麻纖維相比具有明顯的優(yōu)勢。

聚羥基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）具有良好的生物降解性和相容性［6］，在包裝材料、纖維制造及復合材料等方面得到了廣泛應用。然而PHBV 存在高溫下熱穩(wěn)定性較差、質(zhì)地較脆等缺點，嚴重限制了聚合物的單獨應用［7-8］。

本實驗對精細化加工后的棕葉纖維進行復合工藝研究，并制備了棕葉散纖維/PHBV 熱壓、棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓、棕葉纖維粉末/PHBV 共混復合材料；以拉伸強度、沖擊強度、彈性模量和斷裂伸長率為力學性能指標，研究了PHBV 質(zhì)量分數(shù)、熱壓壓強的影響；通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀測復合材料的拉伸斷面結(jié)構(gòu)。

1 實驗

1.1 材料

精細化棕葉纖維（粉碎后的棕葉粉末為70 目，含水率約7.1%），Y1000 PHBV（粉末狀），戊酸酯（HV，物質(zhì)的量分數(shù)3%，寧波天安生物材料有限公司）。

1.2 儀器

電子天平（上海精密科學儀器有限公司），101-1型恒溫干燥箱（上海東星建材有限公司），WL-GK-1-60 型開松機、WL-GS-A-600 型梳理機、WL-J-500 型給棉機、WL-ZGS.Z-Y-800 型預針刺機、WL-ZGS.ZZ-800 型針刺機、WL-800 型成卷機（中國太倉雙鳳非織造布設備有限公司），XLB-350×350×2 型平板硫化機（上海齊才熱壓機械有限公司），DE-300 萬能高速粉碎機（浙江紅景天工貿(mào)有限公司），PIE35 同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出造粒機組［科倍隆科亞（南京）機械有限公司］，TY-400 注塑機（杭州大宇塑機有限公司），H-10K-L 型電子萬能材料試驗機（美國TiniusoISEN 公司），XJZ-50 簡支梁沖擊試驗機（承德試驗機有限公司），SNG-3000 掃描電子顯微鏡，MCM-100 濺射鍍膜儀（韓國賽可電子商務有限公司）。

1.3 復合材料制備工藝

1.3.1 棕葉散纖維/PHBV 熱壓

隨機散放的精細化棕葉纖維+PHBV 粉末→熱壓（溫度160 ℃，時間6 min，壓強11.5～15.5 MPa）。

1.3.2 棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓

精細化棕葉纖維→開松→給棉→梳理→鋪網(wǎng)→進料→預針刺→針刺→成卷→針刺非織造布→加入PHBV 粉末→熱壓（溫度160 ℃，時間6 min，壓強11.5～15.5 MPa）。

1.3.3 棕葉纖維粉末/PHBV 共混

精細化棕葉纖維→棕葉粉和PHBV 混煉［先低速（15 r/min）后高速（45 r/min），時間10 min］→粉碎→注塑成型（180 ℃）。

1.4 測試

1.4.1 拉伸性能

依據(jù)GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸試驗方法》［9］，采用電子萬能材料試驗機進行測試，隔距為50 mm，拉伸速度為10 mm/min，測3 次取平均值。依據(jù)公式計算相應的彈性模量、斷裂伸長率。

1.4.2 沖擊性能

依據(jù)GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》［10］，采用簡支梁沖擊試驗機進行測試，樣條無缺口，擺錘能量為2 J，取5個樣品的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 純PHBV 熱壓后的力學性能

純PHBV 熱壓（壓強13.5 MPa）后的力學性能為：拉伸強度21.68 MPa，沖擊強度14.09 kJ/m2，彈性模量208.60 MPa，斷裂伸長率10.72%。

2.2 影響復合材料力學性能的單因子實驗

2.2.1 PHBV 質(zhì)量分數(shù)

由圖1可看出，3種復合材料的拉伸強度、沖擊強度、彈性模量、斷裂伸長率較純PHBV 均有明顯提升。3種復合材料的拉伸強度、沖擊強度、彈性模量均隨著PHBV 質(zhì)量分數(shù)的降低（即棕葉纖維質(zhì)量分數(shù)的增加）逐步上升，而斷裂伸長率先上升后下降。當PHBV質(zhì)量分數(shù)相同時，棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓復合材料的拉伸強度、沖擊強度、彈性模量均最高，棕葉散纖維/PHBV 熱壓復合材料次之，棕葉纖維粉末/PHBV 共混復合材料最低。原因在于棕葉纖維質(zhì)量分數(shù)增加使PHBV 脆性改善，同時經(jīng)針刺非織造工藝后，纖維排列更整齊有序，內(nèi)應力及抱合力顯著增強；而棕葉纖維粉末/PHBV 共混復合材料易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，導致復合材料結(jié)構(gòu)不均勻性明顯，PHBV的包裹性變差。棕葉纖維粉末/PHBV 共混復合材料的斷裂伸長率最高與共混成型工藝有關(guān)。綜合考慮，選取PHBV 質(zhì)量分數(shù)為35%的棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓復合材料可獲得最佳的力學性能。

圖1 PHBV 質(zhì)量分數(shù)對復合材料拉伸強度、沖擊強度、彈性模量、斷裂伸長率的影響

2.2.2 熱壓壓強

由圖2 可知，隨著熱壓壓強的增大，棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓復合材料的拉伸強度逐漸上升，沖擊強度先上升后下降。原因在于熱壓壓強越大，纖維排列越緊密，纖維間空隙越小，但復合材料的脆性增強。熱壓壓強選取13.5 MPa。

圖2 熱壓壓強對復合材料拉伸強度和沖擊強度的影響

2.3 拉伸斷面形貌

由圖3 可知，在相同工藝條件下，棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓復合材料有很少的棕葉纖維從基質(zhì)中拉出，間隙更小且斷面更光滑、更均勻。表明針刺非織造工藝能有效梳理纖維并使之伸直，提升纖維間的抱合力，增強PHBV 的包裹力。另外，棕葉纖維粉末在復合材料中會形成一定的團聚，導致PHBV對棕葉纖維粉末的包裹性變?nèi)?，進而降低了結(jié)合力。

圖3 復合材料拉伸斷面的SEM 圖

3 結(jié)論

（1）3種復合材料的力學性能均優(yōu)于純PHBV。

（2）在PHBV 質(zhì)量分數(shù)相同時，棕葉纖維針刺非織造布/PHBV 熱壓復合材料的拉伸強度、沖擊強度和彈性模量最高，棕葉散纖維/PHBV 熱壓復合材料次之，棕葉纖維粉末/PHBV 共混復合材料最低，PHBV的最佳質(zhì)量分數(shù)為35%。

（3）在其他工藝條件相同時，熱壓復合材料的最優(yōu)熱壓壓強為13.5 MPa。