黃麻/PHB復合材料性能研究

劉桂陽 (南通紡織職業技術學院，南通，226007)

黃麻/PHB復合材料性能研究

劉桂陽 (南通紡織職業技術學院，南通，226007)

利用黃麻纖維制氈，再與熱塑性聚β-羥基丁酸(PHB)材料在一定的條件下熱壓成復合材料。試驗表明，通過對黃麻纖維的化學處理、控制PHB的用量和熱壓復合條件，可以獲得綜合性能良好的黃麻/PHB復合材料。

黃麻，聚β-羥基丁酸，復合材料，性能

目前國內對麻纖維下腳的處理主要是將其作為造紙原料，造紙過程中使用到的堿液不可避免地會對環境產生再次污染，且該處理方法沒有發揮麻纖維的優良性能，對麻纖維資源是一種浪費。聚β-羥基丁酸(PHB)是一種由生物合成的脂肪族熱塑性聚酯，可在各種自然環境下完全分解為二氧化碳和水，是理想的生物降解材料［1-2]。開發高密度黃麻/PHB纖維復合材料一方面可以解決廢料處理過程中存在的問題，另一方面可以制得高附加值產品，獲得經濟效益［3]。

1 黃麻性能測試

1.1 回潮率和強度

黃麻纖維回潮率和強度分別依據GB 5883—1986《苧麻回潮率、含水率測試方法》和GB 5886—1986《苧麻單纖維斷裂強度試驗方法》進行。測得黃麻纖維回潮率的平均值為12.6%，拉伸斷裂強度平均值為27 cN/tex，斷裂伸長率平均值為3.1%。

1.2 熱穩定性

復合加工過程中纖維受到較集中的熱的作用，會使纖維分子受到破壞性損傷，喪失部分強度，為此進行了黃麻纖維熱穩定性試驗。試驗結果列于表1。

表1 溫度對黃麻纖維強度的影響

由表1看出，黃麻纖維加熱5 min其強度幾乎沒有變化;加熱15 min有淡淡的燒焦味，且強度下降了 5.1%。

本研究采用PHB纖維與黃麻纖維復合，而PHB的熔融溫度低于170℃，且黃麻纖維在機器中的加熱時間不超過2 min，所以黃麻纖維可以滿足與PHB纖維復合工藝的要求。

2 黃麻的化學處理

黃麻纖維是一種工藝纖維，在黃麻纖維的橫切面中可以看到許多呈銳角而不規則的多角形單纖維細胞集合成束，單纖維之間由狹窄的中間層分開，中腔呈卵圓形，有寬有窄，表現出典型的復合材料的特征，且具有良好的比強度和比模量，因而適用于復合材料。但由于黃麻中膠質含量很高，尤其是木質素的含量很大，結晶度高，一定程度上影響了黃麻纖維在復合加工時與PHB之間的黏結性能，因此對黃麻纖維采用了化學改性處理。改性處理過程如下:

黃麻下腳(預開松處理)→NaClO溶液→水洗→脫水→脫氯(Na2S2O3)→水洗→脫水→自然烘干(2 d左右)

其中:黃麻纖維5 kg;NaClO溶液(質量濃度10%)10 L;Na2S2O3固體 300 g。

黃麻纖維主要成分是纖維素，具有耐堿不耐酸的特性，在稀堿溶液中極為穩定，在強堿溶液中與NaClO發生反應，纖維素發生膨潤，生成纖維素鈉鹽，因為鈉離子的水合能力極強，使大量水分子進入纖維內部，纖維劇烈膨脹。堿液不僅滲透到纖維的無定形區，而且滲透到晶區表面及側序較低的晶區，水洗后纖維微結構難以復原，故改性后黃麻纖維的結晶度和取向度下降，無定形區增大，整個結構變得疏松，纖維伸長率和柔軟度提高，彈性增強;同時，改性后黃麻纖維中的非纖維素脫去一部分膠質和木質素，從而提高了纖維素的含量，能較好地改善黃麻纖維的復合性能。

改性后的黃麻呈乳白色，潔凈度高，手感和原麻相比柔軟度明顯提高。改性前后黃麻的外觀變化見圖1。

圖1 改性前后黃麻外觀變化對比

在改性和未改性黃麻中挑選粗細相同的黃麻纖維，切段，長度為10 cm，各取10根，在PC/YG061電子單紗強力儀上測試其拉伸強度，測試結果列于表2。改性前后黃麻纖維的強度均在27～38 cN/tex之間，可見對黃麻纖維進行改性只是改變了黃麻纖維的表面結構，并未影響其強度。

表2 改性前后黃麻纖維的強度(單位:cN·tex－1)

3 黃麻氈的制備［4]

分別將改性前后的黃麻纖維用非織造工藝制備黃麻針刺氈。

由于試驗樣品用量不大，沒有使用開松機和混合機，而是采用手扯方式開松，然后直接鋪放在梳理機的網簾上，經過梳理機(FZSO500)、鋪網機(FZP1000)、預針刺機(FZZ-Ⅰ1000)和針刺機(FZZ-Ⅱ1000)的加工制得黃麻針刺氈。

4 黃麻/PHB復合材料的制備

試驗材料:黃麻針刺氈，PHB(純度97%)

試驗儀器:YA32-100萬能液壓機

用自制紗布袋將PHB不均勻顆粒中的細小顆粒分離，得到均勻的PHB粉末。將PHB裝入自制紗布袋，均勻撒在黃麻氈表面，三種試樣的PHB質量分數分別為20%、30%和40%。把復合好的黃麻氈在液壓機上進行熱壓。PHB的熔點為173～190℃，故將熱壓溫度控制在180℃，熱壓時間為正反兩面各3 min。

5 改性前后黃麻/PHB復合材料的吸濕性能

將黃麻/PHB復合材料試樣浸泡在水中，定時用分析天平稱量試樣的增重量，然后計算試樣的吸濕率。改性前后黃麻/PHB復合材料的吸濕率隨時間的變化數據見表3。

表3 改性前后復合材料吸濕率隨時間的變化 (單位:%)

由表3可知，改性后黃麻/PHB復合材料經水浸泡5h后的飽和吸濕率約為6.3%，而改性前黃麻/PHB復合材料的飽和吸濕率為8.4%。這說明通過改性黃麻/PHB的界面性能明顯得以改善，復合材料板材中空隙率明顯降低，水分不易沿纖維界面浸入，大大減少了復合材料因水分的浸入而造成的破壞，可見改性后黃麻/PHB復合材料的吸濕性能得到了顯著的改善。

6 黃麻/PHB復合材料的力學性能

取不同PHB含量的黃麻/PHB復合材料試樣(30 mm×200 mm)各5塊，用YG065電子織物強力儀進行拉伸強力測試。

表4 不同PHB含量的黃麻/PHB復合材料的拉伸強力 (單位:N)

由表4可知，在熱壓時間相同的條件下，黃麻/PHB復合材料的拉伸性能會隨PHB含量的增加而增加，因此該復合材料可以通過控制PHB的含量來控制其拉伸強力。但從節約成本角度考慮，在滿足復合材料綜合性能的條件下，應盡量減少PHB的用量。

7 結論

(1)對黃麻合理的化學改性處理不會改變黃麻的力學性能，且能很好地提高復合材料的綜合性能，如拉伸和吸水等性能;

(2)在熱壓時間相同的條件下，復合材料的綜合性能隨PHB的含量增加而增加，因此可以通過控制PHB的含量來控制復合材料的強力，但從節約成本角度考慮，在滿足復合材料綜合性能的條件下，應盡量減少PHB的用量;

(3)本試驗尚未對復合材料進行降解時間的測試，而該項測試很有必要，這對于該復合材料的產業化開發很有意義。

［1]葉梁，宋艷茹.生物技術生產生物可降解塑料PHB的研究進展［J].生物技術通報，1998(3):9-l5.

［2]陳廣銀，陳堅，倫世儀，等.生物可降解塑料PHB提取的研究進展［J].化纖進展，1998(1):41-43.

［3]張瑜，朱軍.黃麻/PHBV復合材料的耐濕熱性能研究［J].中國麻業.2004(5):23-25.

［4]王延熹.非織造布生產技術［M].上海:中國紡織大學出版社，1998.

［5]王善元，張汝光.纖維增強復合材料［M].上海:中國紡織大學出版社，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

劉桂陽，男，1980年生，講師。主要研究方向是紡織新材料。