胡麻纤维脱胶及复合材料在医用夹板上的研究

李宛鑫,石大为,郭 栋

(内蒙古工业大学 轻工与纺织学院,内蒙古 呼和浩特 010080)

医用夹板是用于固定骨骼的一种外固定器,有着悠久的发展历史,其材料种类也不断发生变化[1-2]。从最初的木制材料到后来的石膏,再到现代使用的高分子复合材料,性能也越来越优良[3-4]。因此寻找一种经济环保型的新型材料,天然植物纤维成为最佳选择。胡麻作为纺织纤维材料有着强力大、稳定性好、透气性好、抗菌性好、绿色可降解、成本低等优势。石大为等对胡麻纤维脱胶工艺进行研究[5];方培培等对苎麻纤维复合材料医用夹板进行研究[6]。从原料到用途综合考虑,胡麻纤维复合材料医用夹板是可实现、可操作的。

利用胡麻纤维分别与环氧树脂、聚乳酸通过真空辅助树脂传递模塑(VARTM)和热压成型工艺,制作出纤维含量分别为10%、20%、30%,尺寸大小为50 cm×50 cm 的胡麻/环氧树脂复合材料试样(FER)和胡麻/聚乳酸复合材料试样(FP),并对其进行拉伸、弯曲、压缩3种力学性能的测试。研究有着开拓性的意义和前景,也是医用夹板发展的必然趋势[7-8],符合绿色纺织的理念,可用于医用夹板,具有安全性和有效性。

1 胡麻纤维脱胶

试验采用生物-化学联合脱胶技术,利用果胶酶分解胡麻纤维中大部分胶质,再用化学方法去除剩余部分胶质[9-10],使胡麻单纤维达到可纺要求,从而满足胡麻纤维复合材料医用夹板的要求。既保留胡麻纤维的优良性能,又满足胡麻纤维在复合材料中的使用要求而得到精干麻[11]。

1.1 材料

果胶酶、半纤维素酶、氢氧化钠、过氧化氢、硫酸、JFC渗透剂、硅酸钠、冰醋酸、亚硫酸氢钠、三聚磷酸钠、乙二胺四乙酸二钠、胡麻原纤(内蒙古自治区乌兰察布市)。

1.2 试验仪器

水浴锅、酸度计、电子分析天平、纤维电子强力仪、烘箱、电子显微镜。

1.3 工艺流程

取样→预水煮→生物脱胶→浸酸→水洗→打纤→碱煮→水洗→烘干→麻纤维。

先将胡麻烘干,取5 cm 长度的胡麻原纤,称6份,重量为30 g;放入90 ℃的恒温水浴锅,煮60 min先将水溶性胶质除掉;浴比1∶30、温度50 ℃条件下,加入果胶酶(40 g/L)、漆酶(10 g/L)继续处理3 h;浸入浓度为2 g/L、浴比1∶50、温度75 ℃、煮1.5 h;水洗6次,去除表面残留;经过打纤,使纤维束中的纤维得到分散;加压碱煮,氢氧化钠8.0 g/L、三聚磷酸钠1.5 g/L、亚硫酸氢钠4.0 g/L,然后加入去离子水配成溶液,最后滴入JFC渗透剂0.8 g/L,在90 ℃的恒温水浴锅中,浴比1∶50,煮2 h;水洗6次,去除表面残留;烘干,最终得到精干麻。

1.4 脱胶率

根据GB/T 5889—1986 测定其含水率、残胶率,结果见表1。

表1 胡麻脱胶的含水率和残胶率

试验中胡麻的平均含水率为6.87%,平均残胶率为2.90%,优化后的工艺效果显著,为后续胡麻纤维复合材料医用夹板做了更优越的准备。

1.5 单纤维力学性能

参照国家标准GB/T 5886—1986[11]对6 组胡麻单纤维断裂强度及断裂伸长率进行测定,测试胡麻纤维断裂强度并求出平均值、方差。测得脱胶前的胡麻纤维以及脱胶后胡麻纤维的力学性能指标,见表2。

表2 胡麻纤维力学性能指标

从表2中得出,原麻纤维与精干麻纤维的基本性能存在着较大差异,原麻的单纤断裂强力比精干麻多出约1 倍,原麻单纤的断裂强度约是精干麻的1.40倍;原麻断裂强度方差为0.03,精干麻断裂强度方差为0.02。但胡麻纤维精干麻的断裂伸长率高于原麻,达到胡麻纤维的可纺要求,这是由于原麻纤维和精干麻纤维的胶质含量不同所引起的。

1.6 纤维形态结构

胡麻脱胶的目的是为了去除胡麻纤维表面的果胶等胶质,使用场发射扫描电子镜来观察胡麻纤维的纵形态结构。图1为脱胶前的胡麻纤维,表面具有很厚的一层胶质,将胡麻纤维紧密地包裹、粘连在一起致使纤维的分散性差,而且胶质的分布不均匀,存在很多毛刺。图2为脱胶后的胡麻纤维形态,清晰地看到纤维表面比较平整光洁。纤维表面没有了胶质的覆盖,且后表面的沟壑也显现出来,改善了胡麻纤维的外貌形态,提高复合材料中增强体的力学性能。

图1 脱胶前的胡麻纤维形态

图2 脱胶后的胡麻纤维形态

2 医用夹板

2.1 试验材料

胡麻精干麻纤维、No.1-692-2A 环氧树脂、No.1-692-2B固化剂、Ingeo4032D 型聚乳酸树脂。

2.2 试验仪器

DSOP-02型开松机、DSCA-01型梳棉机、50 cm×50 cm 的钢化玻璃板模具、CRVPRO6型真空泵、DGF-4AB型高温烘箱、精密电子万能试验机。

2.3 工艺流程与参数

胡麻纤维网刺针密度为50针刺/cm2,针刺道数1道,针深5 mm。环氧树脂通过VARTM 在温度30℃、压力20 MPa、时间3 h条件下成型,聚乳酸通过热压成型在温度180℃、压力20 MPa、时间3 h条件下成型,胡麻纤维复合材料医用夹板工艺流程如图3所示。

图3 医用夹板复合材料工艺流程

2.4 复合材料力学性能测试

拉伸性能按照GB/T 1447—2005[17]标准进行测试;弯曲性能按照GB/T 1449—2005[18]标准进行测试;压缩性能按照GB/T 3856—2005[19]标准进行测试,为减小误差,每组测试5个试样,求其平均值。复合材料拉伸、弯曲、压缩性能测试数据见表3。

表3 复合材料拉伸、弯曲、压缩性能测试数据

2.4.1 拉伸性能

胡麻纤维复合材料拉伸强度受胡麻纤维质量分数、试验仪器夹头、拉伸速率、端部加固等因素的影响,胡麻纤维复合材料拉伸性能实际反应了基体和增强体2种材料的浸润性即胡麻纤维与环氧树脂和聚乳酸的黏结效果[20],从而反映出FER、FP的延展性。从图4可得出,在胡麻纤维质量分数相同的条件下,FER 的拉伸强度比FP的拉伸强度分别高5.25、4.5、9.23 MPa。FER 的拉伸强度在质量分数为30%时,拉伸强度最大为34.76 MPa,此时环氧树脂浸润性减弱,两者之间的黏结作用减小。由于胡麻纤维自身断裂强度的影响,FER 的拉伸强度有所提高。FP 的拉伸强度在胡麻质量分数为20%时,最大为27.50 MPa,此时胡麻纤维分布均匀而且与聚乳酸之间的浸润黏结最充分;随胡麻纤维质量分数增加会导致聚乳酸对纤维的浸润受阻,进而影响FP复合材料的拉伸性能;当胡麻纤维质量分数在20%以下时,胡麻纤维与聚乳酸黏结度较好,基体的自身性质占主要影响因素,FP拉伸强度较低[21]。

图4 拉伸强度对比

2.4.2 弯曲性能

从图5 可得出,随胡麻纤维质量分数不断增加,FER 的弯曲强度不断增大,在纤维质量为30%时,弯曲强度最大为79.39 MPa,FP的弯曲强度随质量分数的改变不大。原因是FER 是VARTM 成型,FP 是热压成型,FP在成型过程胡麻纤维有严重的聚集现象,基体与增强体之间的黏结能力较差,使复合材料板分层。

图5 弯曲强度对比

2.4.3 压缩性能

从图6可得出,2种材料的压缩性能差异较大。总体来说FER 的压缩强度比FP 的压缩强度大得多,即前者比后者的韧性大。FER 最大压缩强度值为666.59 MPa,这是由于胡麻纤维自身结构所影响,FP最大压缩强度值为160.33 MPa。原因在于胡麻纤维较少时聚乳酸用量较大,浸润性好,黏结作用好[22-23];当胡麻纤维较多时,胡麻纤维密度较大,显现纤维聚集,浸润性变差产生分层的现象,所以胡麻/聚乳酸复合材料压缩性能变差。

图6 压缩强度对比

3 结果与讨论

(1)胡麻脱胶采用生物-化学联合脱胶,提高胡麻纤维的脱胶率,改善胡麻纤维表面结构,提高可纺性。

(2)从拉伸测试结果来看,2种复合材料拉伸性能较好,但总体胡麻纤维质量分数为30%时FER 试样的拉伸性能最好。

(3)从弯曲测试结果来看,FER 复合材料的弯曲性能优于FP复合材料的弯曲性能,30%含量的FER 试样弯曲性能最好。

(4)从压缩测试结果来看,FER 复合材料的压缩性能优于FP复合材料的压缩性能,30%含量的胡麻/环氧树脂试样压缩性能最好。

从胡麻纤维增强体原材料的制备,到FER、FE 的成型,进行了3种力学测试分析,探究了胡麻纤维复合材料作为医用夹板在力学性能方面的可行性。纤维的质量分数和不同树脂作为变量,通过组内和组间的对比与分析,总体上得出2种不同材料制得的复合材料夹板在力学性能上都满足医用夹板的使用条件,2 种材料各有优势,胡麻/环氧树脂复合材料夹板的力学性能较优,胡麻/聚乳酸复合材料可降解且环保。试验得出FER 的力学性能优于FP材料的力学性能,FER 在纤维的质量分数为30%时力学性能最优。