黄麻/PHB复合材料性能研究

刘桂阳 (南通纺织职业技术学院，南通，226007)

黄麻/PHB复合材料性能研究

刘桂阳 (南通纺织职业技术学院，南通，226007)

利用黄麻纤维制毡，再与热塑性聚β-羟基丁酸(PHB)材料在一定的条件下热压成复合材料。试验表明，通过对黄麻纤维的化学处理、控制PHB的用量和热压复合条件，可以获得综合性能良好的黄麻/PHB复合材料。

黄麻，聚β-羟基丁酸，复合材料，性能

目前国内对麻纤维下脚的处理主要是将其作为造纸原料，造纸过程中使用到的碱液不可避免地会对环境产生再次污染，且该处理方法没有发挥麻纤维的优良性能，对麻纤维资源是一种浪费。聚β-羟基丁酸(PHB)是一种由生物合成的脂肪族热塑性聚酯，可在各种自然环境下完全分解为二氧化碳和水，是理想的生物降解材料［1-2]。开发高密度黄麻/PHB纤维复合材料一方面可以解决废料处理过程中存在的问题，另一方面可以制得高附加值产品，获得经济效益［3]。

1 黄麻性能测试

1.1 回潮率和强度

黄麻纤维回潮率和强度分别依据GB 5883—1986《苎麻回潮率、含水率测试方法》和GB 5886—1986《苎麻单纤维断裂强度试验方法》进行。测得黄麻纤维回潮率的平均值为12.6%，拉伸断裂强度平均值为27 cN/tex，断裂伸长率平均值为3.1%。

1.2 热稳定性

复合加工过程中纤维受到较集中的热的作用，会使纤维分子受到破坏性损伤，丧失部分强度，为此进行了黄麻纤维热稳定性试验。试验结果列于表1。

表1 温度对黄麻纤维强度的影响

由表1看出，黄麻纤维加热5 min其强度几乎没有变化;加热15 min有淡淡的烧焦味，且强度下降了 5.1%。

本研究采用PHB纤维与黄麻纤维复合，而PHB的熔融温度低于170℃，且黄麻纤维在机器中的加热时间不超过2 min，所以黄麻纤维可以满足与PHB纤维复合工艺的要求。

2 黄麻的化学处理

黄麻纤维是一种工艺纤维，在黄麻纤维的横切面中可以看到许多呈锐角而不规则的多角形单纤维细胞集合成束，单纤维之间由狭窄的中间层分开，中腔呈卵圆形，有宽有窄，表现出典型的复合材料的特征，且具有良好的比强度和比模量，因而适用于复合材料。但由于黄麻中胶质含量很高，尤其是木质素的含量很大，结晶度高，一定程度上影响了黄麻纤维在复合加工时与PHB之间的黏结性能，因此对黄麻纤维采用了化学改性处理。改性处理过程如下:

黄麻下脚(预开松处理)→NaClO溶液→水洗→脱水→脱氯(Na2S2O3)→水洗→脱水→自然烘干(2 d左右)

其中:黄麻纤维5 kg;NaClO溶液(质量浓度10%)10 L;Na2S2O3固体 300 g。

黄麻纤维主要成分是纤维素，具有耐碱不耐酸的特性，在稀碱溶液中极为稳定，在强碱溶液中与NaClO发生反应，纤维素发生膨润，生成纤维素钠盐，因为钠离子的水合能力极强，使大量水分子进入纤维内部，纤维剧烈膨胀。碱液不仅渗透到纤维的无定形区，而且渗透到晶区表面及侧序较低的晶区，水洗后纤维微结构难以复原，故改性后黄麻纤维的结晶度和取向度下降，无定形区增大，整个结构变得疏松，纤维伸长率和柔软度提高，弹性增强;同时，改性后黄麻纤维中的非纤维素脱去一部分胶质和木质素，从而提高了纤维素的含量，能较好地改善黄麻纤维的复合性能。

改性后的黄麻呈乳白色，洁净度高，手感和原麻相比柔软度明显提高。改性前后黄麻的外观变化见图1。

图1 改性前后黄麻外观变化对比

在改性和未改性黄麻中挑选粗细相同的黄麻纤维，切段，长度为10 cm，各取10根，在PC/YG061电子单纱强力仪上测试其拉伸强度，测试结果列于表2。改性前后黄麻纤维的强度均在27～38 cN/tex之间，可见对黄麻纤维进行改性只是改变了黄麻纤维的表面结构，并未影响其强度。

表2 改性前后黄麻纤维的强度(单位:cN·tex－1)

3 黄麻毡的制备［4]

分别将改性前后的黄麻纤维用非织造工艺制备黄麻针刺毡。

由于试验样品用量不大，没有使用开松机和混合机，而是采用手扯方式开松，然后直接铺放在梳理机的网帘上，经过梳理机(FZSO500)、铺网机(FZP1000)、预针刺机(FZZ-Ⅰ1000)和针刺机(FZZ-Ⅱ1000)的加工制得黄麻针刺毡。

4 黄麻/PHB复合材料的制备

试验材料:黄麻针刺毡，PHB(纯度97%)

试验仪器:YA32-100万能液压机

用自制纱布袋将PHB不均匀颗粒中的细小颗粒分离，得到均匀的PHB粉末。将PHB装入自制纱布袋，均匀撒在黄麻毡表面，三种试样的PHB质量分数分别为20%、30%和40%。把复合好的黄麻毡在液压机上进行热压。PHB的熔点为173～190℃，故将热压温度控制在180℃，热压时间为正反两面各3 min。

5 改性前后黄麻/PHB复合材料的吸湿性能

将黄麻/PHB复合材料试样浸泡在水中，定时用分析天平称量试样的增重量，然后计算试样的吸湿率。改性前后黄麻/PHB复合材料的吸湿率随时间的变化数据见表3。

表3 改性前后复合材料吸湿率随时间的变化 (单位:%)

由表3可知，改性后黄麻/PHB复合材料经水浸泡5h后的饱和吸湿率约为6.3%，而改性前黄麻/PHB复合材料的饱和吸湿率为8.4%。这说明通过改性黄麻/PHB的界面性能明显得以改善，复合材料板材中空隙率明显降低，水分不易沿纤维界面浸入，大大减少了复合材料因水分的浸入而造成的破坏，可见改性后黄麻/PHB复合材料的吸湿性能得到了显著的改善。

6 黄麻/PHB复合材料的力学性能

取不同PHB含量的黄麻/PHB复合材料试样(30 mm×200 mm)各5块，用YG065电子织物强力仪进行拉伸强力测试。

表4 不同PHB含量的黄麻/PHB复合材料的拉伸强力 (单位:N)

由表4可知，在热压时间相同的条件下，黄麻/PHB复合材料的拉伸性能会随PHB含量的增加而增加，因此该复合材料可以通过控制PHB的含量来控制其拉伸强力。但从节约成本角度考虑，在满足复合材料综合性能的条件下，应尽量减少PHB的用量。

7 结论

(1)对黄麻合理的化学改性处理不会改变黄麻的力学性能，且能很好地提高复合材料的综合性能，如拉伸和吸水等性能;

(2)在热压时间相同的条件下，复合材料的综合性能随PHB的含量增加而增加，因此可以通过控制PHB的含量来控制复合材料的强力，但从节约成本角度考虑，在满足复合材料综合性能的条件下，应尽量减少PHB的用量;

(3)本试验尚未对复合材料进行降解时间的测试，而该项测试很有必要，这对于该复合材料的产业化开发很有意义。

［1]叶梁，宋艳茹.生物技术生产生物可降解塑料PHB的研究进展［J].生物技术通报，1998(3):9-l5.

［2]陈广银，陈坚，伦世仪，等.生物可降解塑料PHB提取的研究进展［J].化纤进展，1998(1):41-43.

［3]张瑜，朱军.黄麻/PHBV复合材料的耐湿热性能研究［J].中国麻业.2004(5):23-25.

［4]王延熹.非织造布生产技术［M].上海:中国纺织大学出版社，1998.

［5]王善元，张汝光.纤维增强复合材料［M].上海:中国纺织大学出版社，1998.

Study on the property of jute/PHB composite material

Liu Guiyang (Natong Textile Vocational Technology College)

Felt manufactured of jute fiber was heat calendered with thermalplastic PHB under constant condition to be composite material.The test result is that jute/PHB composite material with good comprehensive performance could be obtained by chemical treatment on jute fiber and controlling content of PHB as well as thermal composite condition.

jute，PHB，composite material，performance

TS102.223;TQ323.41

A

1004－7093(2010)11－0019－03

2010－08－23

刘桂阳，男，1980年生，讲师。主要研究方向是纺织新材料。