五种植物纤维粉填充不饱和聚酯树脂复合材料的性能对比

沈闻倩， 史 博， 孙俊杰， 殷计鹏， 贾琳岚， 李璐岑， 徐金保

（南京林业大学 理学院，江苏 南京 210037）

复合材料以其优异的性能和较强的适应性越来越受到科学界和工业界的重视[1-5]。天然纤维成本较低，来源丰富，并且具有良好的可降解性，被广泛应用于填充复合材料[6-10]。但现有用于复合材料的天然纤维主要包括麻纤维、木纤维、竹纤维等，而产量丰盛的农作物秸秆却很少用于复合材料中。我国是农业大国，每年会产出7亿多吨的农作物秸秆，这些秸秆一直未能得到很好的利用，开发农作物秸秆在复合材料领域的应用，提高农作物秸秆的综合利用率是目前迫切需要解决的难题[11-13]。

不饱和聚酯树脂（UPR）是各树脂种类中消耗最大的热固性树脂， 也是玻璃钢生产中用量最大的基体树脂。由于 UPR的产销量巨大，同时考虑到成本和环保的因素，若能将农作物秸秆等在内的植物纤维与UPR复合制作成具有一定用途的复合材料，则既能有效地利用资源，又能减少UPR的用量，降低材料成本，增加 UPR的可降解性，减少环境污染，因而是一件一举多得的美事，研究意义重大[14-18]。陈蕾等[12]研究了芝麻秸秆粉与碳酸钙粉复合增强不饱和树脂材料的力学性能和热稳定性，发现填料的加入降低了UPR的力学性能，芝麻秸秆粉的含量越高，复合材料的热稳定性越差，吸水率越大。刘刚[18]以玉米秸秆为增强材料，UPR作胶粘剂，通过灌注充模方法得到新型复合型建筑材料。Santosha等[10]利用手工铺层方法制作香蕉和菠萝叶纤维增强 UPR复合材料，发现同等温度条件下，随着纤维含量的增加，复合材料的导热系数和比热容均降低；同等纤维含量的条件下，随着温度的升高，复合材料的导热系数和比热容均升高。Vilay V等[14]对比研究了氢氧化钠处理和丙烯酸处理甘蔗渣纤维对甘蔗渣/UPR复合材料性的影响，发现丙烯酸处理所得复合材料的力学性能优于碱处理，两种处理方法都能提高复合材料的杨氏模量，降低复合材料的吸水率。

本文对比研究不同秸秆复合UPR的性能，旨在为秸秆/UPR复合材料后期的工业应用提供一定的实验依据。

1 实验

1.1 原料和仪器

原料：芝麻秸秆粉（SSP， 100目）、水稻秸秆粉（RSP， 100目）、玉米芯秆粉（CSP， 100目）、菠萝叶粉（RLP， 100目）、甘蔗渣粉（BSP， 100目），实验室自制；过氧化甲乙酮：工业级；萘酸钴：工业级；不饱和聚酯树脂：工业级。

仪器：电子万能试验机，E44.304，美斯特工业系统（中国）有限公司；冲击强度试验机，XJC-250，承德精密试验机有限公司。

1.2 复合材料的制备

按质量比100∶10分别称取UPR和不同植物纤维粉，混合均匀后，按照UPR质量的0.8%称取萘酸钴并加入到植物纤维粉/UPR混合体系中，再次搅匀，静置，脱泡，接下来加入UPR质量的0.8%的过氧化甲乙酮，充分搅匀，最后在模具中浇注成型样条。常温固化24 h后脱模，并将样条在80℃下后处理2 h。

1.3 测试与表征

1.31 密度

测量样条的长、宽、厚，计算出样条的体积V，同时称出样条的质量m，根据式（1）计算样条的密度。每种样条测3根，取平均值作为该种样条最终的密度。

1.3.2 力学性能

拉伸性能 参照“GB/T 1040.1：2006与GB/T 1040.2：2006”，常温，拉伸速率5 mm/min。每组样条不得低于5根、样条无缺陷，试样尺寸150.00 mm×10.00 mm×5 mm，标距：60 mm。

弯曲性能 参照“GB/T 9431-2008”，常温，静弯曲力矩速率为3 mm/min，跨度60 mm，每组样条不得低于5根、样条无缺陷，试样尺寸100.00 mm×10.00 mm×5 mm。

冲击性能 参照“GB/T 2567-2008 树脂浇注体性能试验方法”，常温、样条无缺口进行简支梁冲击测试。

1.3.3 吸水率

将样条放入恒温30℃的水浴锅中保温，分别在累计保温0、1、3、7、24、48、72、96 h时分别对试样取出、擦干，再将三根样条整体称重记录实验数据，按照公式（2）计算吸水率。

式中：mt为浸泡t时间后样品的质量，g；m0为浸泡前样品的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 不同植物纤维粉/UPR复合材料的密度

图1为不同植物纤维粉/UPR复合材料的密度。

由图1可见，采用不同植物纤维粉与UPR复合所得复合材料的密度彼此不同，其中，菠萝叶粉/UPR复合材料的密度最大，芝麻秸秆粉/UPR复合材料次之，玉米芯秆粉/UPR复合材料最小。

图1 不同植物纤维粉/UPR复合材料的密度

2.2 不同植物纤维粉/UPR复合材料的力学性能

图2 a为不同植物纤维粉/UPR复合材料的拉伸性能实验结果。由图2可见，水稻秸秆、芝麻秸秆粉/UPR复合材料的拉伸强度较其他秸秆较为突出。分析其原因，主要是由于水稻秸秆由叶鞘和茎秆组成，而叶鞘对水稻的拉伸能力加强比较显著，并且叶鞘面积占总体面积比例较大，所以它与UPR复合表现出较好的拉伸性能；芝麻秸秆质地坚硬、强度大，尤其根部硬度很大，且芝麻秸秆中纤维素和木质素含量较大，所以它所制成的复合材料的拉伸性能同样优异。玉米芯杆质地柔软、强度低，而且其堆积密度也较低；菠萝叶质地柔软，所得到的粉料触感较软，且存在无法完全粉化的细小纤维，这些细小纤维的存在导致菠萝叶粉与 UPR的混合不是很充分；甘蔗渣表面极性官能团的氢键作用使纤维聚集，应力集中，导致其内部空洞增加而无法起到增强的作用。所以，玉米芯、菠萝叶、甘蔗渣所制成的粉料/UPR复合材料的拉伸强度较低。

图2 不同植物纤维粉/UPR复合材料的力学性能

和拉伸强度相似，图2 b表明，芝麻秸杆粉/UPR复合材料同样具有较高的弯曲强度。但水稻秸杆粉/UPR复合材料的弯曲强度却不及甘蔗渣粉/UPR复合材料，甚至略低于菠萝叶粉/UPR复合材料，玉米芯秆粉/UPR复合材料的弯曲强度最低。玉米中纤维素等大分子组织塑性提高，所需弯曲力相对减小。而芝麻的质地坚硬，从质地柔软到坚硬与弯曲强度的增加正好吻合。由此可以得出结论：质地较硬的植物纤维粉/UPR复合材料BS效果较好。根据这一结论，在以后的实验和实际应用中，可以有目的性地选择一些质地坚硬的秸秆制作复合材料来满足一些对弯曲性能有较高要求的用途。

关于冲击强度，从图2 c可以看出，菠萝叶粉/UPR复合材料具有最高的冲击强度，水稻和芝麻秸秆的次之，玉米芯的最小。如前所述，菠萝叶纤维质地柔软，从而有利于复合材料韧性的提高。水稻秸秆自生柔韧性同样较好，因而所得复合材料的抗冲击性也相对较好。而芝麻秸秆质地坚硬强度大，所形成的复合材料具有较高的抗冲击性。

综合上述结果可知，添加10 phr、100目的芝麻秸秆粉/UPR复合材料的拉伸强度（41.320 MPa）、弯曲强度（67.467 MPa）均为五种复合材料中的最高值，而冲击强度（2.815 KJ/m2）仅次于菠萝叶/UPR复合材料，且仅仅低了 3.16%。综合来看，芝麻杆粉/UPR复合材料的力学性能最好。虽然略低于张永春[19]报道的黄麻纤维/UPR复合材料的拉伸强度（47.53 MPa）和弯曲强度（72.53 MPa），但差别不很显著。

2.3 不同植物纤维粉/UPR复合材料的吸水性能

吸水性是指材料在水中吸收水分的能力。吸水性的大小一般会直接影响到复合材料的性能，甚至影响复合材料的使用寿命。

不同植物纤维粉/UPR复合材料的吸水率如图3所示，从图3可见，不同秸秆的吸水率随时间的变化总体趋势是一样的，均呈现先快后慢的趋势。吸水初期，由于植物纤维的表面存在大量羟基等吸水性基团[17-20]，同时，复合材料的吸水率还受到纤维与树脂基体间界面的影响[13]，导致水分向复合材料内部扩散较为容易，宏观上表现出复合材料吸水率的快速增加。但随着在水中浸泡时间的延长，复合材料内部吸的水分越来越多，复合材料内外部水的浓度差逐渐缩小，因而水分向复合材料内部渗透的难度逐渐增大，吸水率逐渐趋向缓和。对比分析相同时间段五种复合材料的吸水率发现，玉米芯秆粉、菠萝叶粉/UPR复合材料具有高的吸水率，水稻秸秆粉、甘蔗渣粉/UPR复合材料两者吸水率基本接近，在五种复合材料中居中，而芝麻植物纤维粉/UPR复合材料的吸水性始终最低。

图3 不同植物纤维粉/UPR复合材料的吸水率

3 结论

以芝麻秸秆粉、水稻秸秆粉、玉米芯秆粉、菠萝叶粉、甘蔗渣粉与 UPR分别形成复合材料，对比分析了不同复合材料的密度、力学强度和吸水性。得出如下结论：

1）菠萝叶粉/UPR复合材料密度最大，芝麻秸秆粉/UPR复合材料密度次之，玉米芯秆粉/UPR复合材料密度最小。

2）芝麻秸秆粉/UPR复合材料具有最佳的综合力学强度，其拉伸强度和弯曲强度最高，冲击强度仅次于菠萝叶粉/UPR复合材料。

3）所有复合材料的吸水率均随着在水中浸泡时间的延长逐渐增大，且呈现先快后慢的趋势。玉米芯秆粉、菠萝叶粉/UPR复合材料具有高的吸水率，水稻秸秆粉、甘蔗渣粉/UPR复合材料两者吸水率居中，而芝麻植物纤维粉/UPR复合材料的吸水性始终最低。