固化温度对苎麻纤维增强复合材料性能的影响

刘燕峰， 包建文， 李艳亮， 益小苏

（北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室，北京 100095）

为减少污染、保护环境，同时为应对日益逼近的能源危机和资源约束，植物纤维及其复合材料日益成为人们的研究热点。植物纤维主要包括苎麻、亚麻、剑麻、大麻和木纤维等，与合成纤维相比，具有轻质、无毒、低成本、高的比强度和比模量及可生物降解特性［1～8］。其中，苎麻纤维在中国来源广泛，被称作“中国草”，其力学性能较为优异，拉伸强度为400～938 MPa，拉伸模量为61.4～128.0GPa。因此，科学工作者广泛开展了苎麻纤维织物增强树脂基复合材料性能的研究［8～13］。植物纤维增强复合材料根据基体树脂的种类，通常需在室温～200℃的范围内进行加工，而植物纤维是由纤维素、半纤维素、木质素、果胶等成分组成，这些成分随温度升高而逐渐氧化降解，从而导致纤维力学性能下降，但固化温度对植物纤维增强复合材料力学性能影响的研究很少报道［14］。

本工作首先研究了固化温度对环氧树脂力学性能的影响;固化温度对苎麻纤维丝束力学性能的影响，然后研究了固化温度对单向苎麻纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能的影响，同时也对比研究了单向苎麻纤维和单向玻璃纤维增强树脂基复合材料的力学性能。

1 实验部分

1.1 原材料

苎麻纤维纱线由江西井竹麻业有限公司提供。环氧树脂牌号为3233，北京航空材料研究院制。玻璃纤维为高强度玻璃纤维无捻粗纱EC-960A，由中材科技股份有限公司提供。

1.2 测试仪器及条件

示差扫描量热仪（DSC）为Terkin-Elmer DSC-7，升温速率为20℃/min。热失重分析仪（TGA）为Perkin-Elmer TGA-2，升温速率为20℃/min。

树脂板材和复合材料的力学性能在Instron Model试验机上测试。复合材料的拉伸试样尺寸为250mm×15mm，测试标准为ASTM D3039。弯曲试样尺寸为80mm×12.5mm，跨距为厚度16倍，测试标准为ASTM D790。复合材料的压缩试样尺寸为140mm×12mm，测试标准为ASTM D6641。复合材料的剪切试样尺寸为30mm×6mm，测试标准为ASTM D2344，跨距为厚度4倍和5倍。树脂的拉伸性能测试按照标准ASTM D638，试样为哑铃型，弯曲性能测试按照标准ASTM D790，跨距为厚度16倍。

1.3 环氧树脂板材的制备

为了能有效地抑制树脂中的气泡，采用模压工艺制备环氧树脂板材，将树脂铺放入模具中，然后加热到100℃，停留一定时间，待树脂出现拉丝现象时，开始加压，最大压力为10 MPa，升温到特定的温度固化2h，后逐渐降温到50℃时，释放压力，得到环氧树脂板材。

1.4 复合材料的制备

采用模压工艺制备复合材料，将预浸料铺放入模具中，然后加热到80℃时，开始加压，最大压力为3 MPa，升温到特定的温度固化2h，后逐渐降温到50℃时，释放压力，得到复合材料层合板。

2 结果与讨论

2.1 树脂和苎麻纤维的热性能

图1为环氧树脂3233的DSC曲线，升温速率为20℃/min。120～200℃宽的吸热峰是由于环氧树脂固化反应放热所致，峰值温度为142℃。图2为环氧树脂 3233的 DMA曲线，升温速率为5℃/min。从损耗角正切曲线可以看出，树脂分别在120℃，140℃和180℃下固化2h后，其玻璃化转变温度依次为146℃，151℃和161℃，可见随着固化温度的升高，环氧树脂交联密度逐渐增大，其玻璃化转变温度升高。苎麻纤维的热失重曲线如图3所示，当温度升到200℃时，失重约为8%，主要为纤维表面吸附水的挥发;当温度继续升高到200℃以上时，失重非常明显，主要为纤维中高分子化合物的分解。当温度升到780℃，重量残留量约为8%，主要是残留的苎麻纤维灰分，成分为无机盐或无机氧化物。

图1 环氧树脂的DSC曲线Fig.1 The DSC curve of epoxy resin as a function of temperature

2.2 固化温度环氧树脂力学性能的影响

表1为环氧树脂的力学性能，树脂分别在120℃，140℃ 和 180℃固化 2h，“3233-120”表示复合材料的固化温度为120℃。从表中可见，三种固化温度下，树脂的拉伸强度最大为51.0 MPa，最小为49.5 MPa;拉伸模量最大为2.63 GPa，最小为2.58 GPa;弯曲强度最大为 96.5 MPa，最小为94.0 MPa，弯曲模量最大为2.14 GPa，最小为2.00 GPa。结果表明，三种固化温度对环氧树脂基体的拉伸性能和弯曲性能影响不明显。

表1 环氧树脂的力学性能Table 1 The mechanical properties of epoxy resin

2.3 温度对苎麻纤维拉伸性能的影响

苎麻纤维不同于合成纤维，其单丝力学性能本身离散性较大，因此很难研究固化温度对单丝力学性能的影响。苎麻纤维丝束是通过数十根纤维单丝加捻而成，统计原理得知，其丝束的力学性能离散性较单丝小。因此，本工作参照碳纤维拉伸性能测试方法［15］，先用少量树脂浸渍碳纤维丝束，然后测试固化后纤维丝束的拉伸性能，由于苎麻纤维的拉伸强度，尤其是拉伸模量都远远高于树脂基体的拉伸性能，忽略树脂对力学性能的影响，得到的数据即为苎麻纤维的拉伸强度和模量，其测试装置如图4所示。但是测试结果是苎麻纤维丝束拉伸性能离散性依然较大，不能真实地反应固化温度对苎麻纤维力学性能的影响，所以工作并没有列出具体的数据。

图4 苎麻纤维力学测试试样Fig.4 The specimen for mechanical test of Ramie fiber

2.4 固化温度对苎麻纤维增强复合材料力学性能的影响

表2列出单向苎麻纤维增强复合材料的力学性能，苎麻纤维的体积含量约为60%。uRamie-3233-120表示复合材料的固化温度为120℃。复合材料uRamie-3233-120和 uRamie-3233-140拉伸强度较大，分别为 270.3 MPa和 263.9 MPa，而 uRamie-3233-180的拉伸强度较小，为239.7 MPa。复合材料uRamie-3233-120和uRamie-3233-140的弯曲强度分别为336.2 MPa和328.1 MPa，而uRamie-3233-180的弯曲强度较小，为219.2 MPa。复合材料uRamie-3233-120和uRamie-3233-140的压缩强度分别为150.4 MPa和157.8 MPa，而 uRamie-3233-180的弯曲强度较小，其值为108.0 MPa。三种复合材料拉伸模量、弯曲模量和压缩模量数值相近。

当复合材料的跨厚比为5∶1时，复合材料uRamie-3233-120，uRamie-3233-140 和 uRamie-3233-180的层间剪切强度分别为24.9 MPa，22.4 MPa和17.3 MPa。当复合材料的跨厚比为4∶1时，复合材料 uRamie-3233-120，uRamie-3233-140 和 uRamie-3233-180的层间剪切强度分别为 26.4 MPa，23.9 MPa和18.7 MPa。可见随着固化温度的升高和跨厚比的提高，层间剪切强度逐渐降低。

180℃固化2h后，复合材料的强度变小，由于温度对树脂的强度影响不大，可见强度的减小主要是因为苎麻纤维的热氧化降解，使纤维的力学性能降低，或纤维中物理或化学吸附水的进一步释放，破坏了纤维和树脂基体界面，使复合材料力学性能降低。

表2 单向苎麻纤维增强复合材料的力学性能Table 2 The mechanical properties of unidirectional ramie fiber reinforced composite

2.5 增强材料对复合材料力学性能的影响

本工作分别制备了平纹苎麻织物、单向苎麻纤维和单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，对比研究了增强材料的类型对复合材料力学性能的影响，复合材料的纤维体积含量约为60%，固化工艺为120℃/2h，三种复合材料的力学性能如表3所示。单向苎麻纤维增强复合材料的力学性能要远远大于平纹苎麻织物增强复合材料的力学性能，如单向苎麻复合材料uRamie-3233-120的压缩强度和压缩模量分别为154.0 MPa和35.6 GPa，而苎麻织物增强复合材料fRamie-3233-120分别为95.0 MPa和9.2 GPa。由于玻璃纤维的拉伸强度约3500 MPa，高于苎麻纤维的拉伸强度，因此，玻璃纤维增强复合材料的强度也会明显高于苎麻纤维增强复合材料的强度。而由于两种纤维的模量相近，因此其增强复合材料的模量也相近。

表3 苎麻纤维和玻璃纤维增强复合材料的力学性能Table 3 The mechanical properties of ramie fiber and glass fiber reinforced composites

3 结论

（1）环氧树脂基体3233在120℃/2h，140℃/2h和180℃/2h的固化工艺下，其力学性能变化不大。

（2）苎麻纤维丝束力学性能的分散性较大，不能用来研究固化温度对纤维丝束力学性能的影响，进而预测固化温度对复合材料力学性能的影响。

（3）苎麻纤维增强环氧树脂基复合材料在120℃和140℃下固化2h后力学性能相当，但是在180℃固化2h后，强度明显减小，三种固化温度下模量变化不大。

（4）60%的纤维体积含量下，单向苎麻纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能要高于平纹苎麻织物增强复合材料的力学性能，而单向玻璃纤维增强复合材料的强度高于单向苎麻纤维增强复合材料的强度，二者模量相近。

［1］ BELDZKI A K，GASSAN J.Composites reinforced with cellulose based fibers ［J］.Prog Polym Sci，1999，24（2）:221-274.

［2］MOHANTY A K，MISRA M，HINRICHSEN G.Biodegradable polymers and biocomposites:an overview ［J］.Macromol Mat Eng，2000，276/277:1-24.

［3］JUNIOR C Z，CARVALHO L H，FONSECA V M，et al.Analysis of the tensile strength of polyester/hybrid ramiecotton fabric composites［J］.Polymer Testing，2004，23（2）:131-135.

［4］MOHANTY A K，MISRA M，DRZAL L T.Surface modifications of natural fibers andperformance of the resulting biocomposites:an overview ［J］.Comp Interfaces，2001，8（5）:313-343.

［5］MANIKANDAN N K C，DIWAN S M，THOMAS S.Tensile properties of short sisal fiber reinforced polystyrene composites ［J］.Journal of Applied Polymer Science，1996，60（9）:1483-1497.

［6］SREEKALA M S，KUMARAN M G，JOSEPH S，et al.Oil palm fibre reinforced phenol formaldehyde composites:influence of fibre surface modifications on the mechanical performance［J］.Applied Composite Materials，2000，7（5/6）:295-329.

［7］ SREEKALA M S，KUMARAN M G，JOSEPH S，et al.Water sorption in oil palm fiber reinforced phenol formaldehyde composites［J］.Applied Science and Manufacturing，2002，33（6）:763-777.

［8］GEORGE J，JANARDHAN R，ANAND J S，et al.Melt rheological behaviour of short pineapple fibre reinforced low density polyethylene composites［J］.Polymer，1996，37（24）:5421-5431.

［9］ BOGOEVA-GACEVA G，AVELLA M，MALINCONICO M，et al.Natural fiber eco-composites［J］.Polymer Composites，2007，28（1），98-107.

［10］李晓峰.苎麻纱直径系数的研究［J］.应用基础与工程科学学报，2000，8（2）:113-117.

［11］田永，何莉萍，王路琳，等.汽车制造用苎麻纤维增强聚丙烯的力学性能的研究［J］.材料工程，2008（1）:21-33.

［12］刘燕峰，包建文，李艳亮，等.单向苎麻纤维增强酚醛树脂复合材料性能的研究［J］.航空材料学报，2011，31（6）:68-72.

［13］PRAK J M，SON T Q，JUNG J G，et al.Interfacial evaluation of single ramie and kenaf fiber/epoxy resin composites using micromechanical test and nondestructive acoustic emission［J］.Composite Interfaces，2006，13（2/3）:105-129.

［14］DEFOIRDT N，BISWAS S，VRIESE L D，et al.Assessment of the tensile properties of coir，bamboo and jute fibre［J］.Composites:Part A，2010，41（5）:588-595.

［15］GB/T 3362—2005碳纤维复丝拉伸试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2005.