錦葵莖皮纖維增強復合材料的力學及隔聲性能

趙 磊，劉 華，樊理山，鄧先寶，祁 寧

(1.鹽城工業職業技術學院紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224005;2.鹽城工業職業技術學院江蘇省生態紡織工程技術研發中心，江蘇 鹽城 224005;3.蘇州大學現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

海濱錦葵是一種適宜海濱地區生長的多年生草本植物，非常適合在江蘇北部如大豐等鹽土上(含鹽量在0.6% ～1%)生長，如今對海濱錦葵的種植及錦葵籽油的高效提取的研究較多，而對殘留下來的錦葵莖一般采取焚燒或丟棄的處理方式，其實錦葵莖皮中存在大量的束纖維，其強度、模量等物理性能與黃麻、亞麻等工藝纖維接近［1］。隨汽車產業用紡織品逐漸向綠色、環保、價廉等方向發展［2－4］，天津工業大學、東華大學等高校一直致力于研究開發黃麻、亞麻、竹纖維等一些天然高性能纖維的增強復合材料［5－7］，但是對錦葵莖皮纖維增強復合材料的研究還比較少，因此開發錦葵莖皮纖維增強復合材料具有較高的潛在應用價值。

本文采用堿脫膠工藝自制錦葵莖皮纖維，并對其進行堿處理，通過模壓成型法［8－9］制備出以堿處理后的錦葵莖皮纖維為增強體、聚丙烯為基體的增強復合材料，探討錦葵莖皮纖維在不同質量分數下，復合材料的力學性能和隔聲性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

錦葵莖皮，由江蘇大豐北部農場提供;聚丙烯纖維，鹽城維邦工程材料有限公司;NaOH，上海南翔試劑有限公司。

錦葵莖皮纖維脫膠后采用常州第一紡織設備有限公司的Y101原棉雜質分析儀進行開松;復合材料的預成型件采用蘇州市華飛紡織科技有限公司的A181AS27梳棉成網小樣機進行制作;復合材料板材的成型采用青島鑫城一鳴橡膠機械有限公司的平板硫化機進行加工;復合材料的拉伸和彎曲性能采用上海龍華有限公司的INSTRON3369型萬能電子強力儀器進行測試;纖維的結晶度采用美國Thermo Electron公司的Nicolet5700型紅外光譜儀進行間接表征;纖維微觀結構采用日本電子JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡進行觀察;自行研發復合材料隔聲性能測試裝置。

1.2 錦葵莖皮纖維的提取

采用堿煮練法對錦葵莖皮脫膠，堿煮練工藝路線為:浸酸→水洗→敲打→堿煮→酸洗→水洗→敲打，重復2次堿煮練，溫度為98℃，時間為1.5 h，浴比為1∶30。2次堿煮NaOH質量濃度分別為30g/L和20g/L［7－8］。

1.3 錦葵莖皮纖維的堿處理

將預處理后的錦葵莖皮纖維放在原棉雜質分析儀上進行單纖維化烘干后，置于質量分數為7.5%的NaOH溶液中，常溫下浸漬1h，纖維保持蓬松狀態，處理完畢后用稀酸溶液和清水洗滌至中性，于烘箱中80℃ 烘干至質量恒定備用［10－11］。

1.4 隔聲性能測試裝置

自制隔聲性能測試裝置簡圖如圖1所示。包括聲發射裝置和聲檢測裝置2部分，由揚聲器、虛擬聲卡儀器中的信號發生器共同組成的聲發射裝置進行發聲，聲信號的采集和處理系統由聲傳感器即麥克風、虛擬聲卡儀器中的示波器和計算機等聲檢測裝置組成，為保證實驗數據的準確性，測試時被測板材與話筒之間的隔距要保持恒定［12－13］。隔聲性能用聲電壓峰值衰減率(△U)來表征，△U值越大，表明聲音衰減量越大，證明復合材料的隔聲性能越好。△U的計算式為

式中:△U0為空測時的電壓峰值，V;△U1為板材測試時的電壓峰值，V。

圖1 隔聲性能測試裝置簡圖Fig.1 Sketch of testing device with acoustic property

1.5 復合材料的制備及性能測試

采用人工方式使聚丙烯纖維開松，為避免纖維在梳理時因靜電原因產生繞道夫而影響梳理成網，梳理前在纖維表面噴灑一定的水分，為保證制備出來的錦葵莖皮纖維增強聚丙烯復合材料的各項性能比較均勻，梳理成網時，采用分層的方式進行喂入，需要將聚丙烯纖維鋪放在上下層，而錦葵莖皮纖維鋪放在上下聚丙烯纖維層之間，按照錦葵莖皮纖維的質量分數為40%、30%、20%、10%、0進行制備100g的預成型件“錦葵莖皮纖維/聚丙烯纖維混合纖維網［7］”，一次梳理形成的纖維網再經過二次梳理，可保證成網的均勻性，二次梳理完后備用。復合材料制備過程前，先在模具上涂上脫模劑，將備用纖維網在80℃恒溫烘箱中烘燥60 min，同時平板硫化機進行預熱30 min后將混合纖維網即預成型件按照圖2所示施壓方式，恒溫恒壓一定時間后再進行冷卻，脫膜后對熱塑板進行修整制得復合材料。通過前期的摸索實驗，考慮復合材料成型良好且不影響錦葵莖皮纖維的性能及提高產品加工速度，模壓成型復合材料制備工藝:壓力為10 MPa，時間為8 min，模壓溫度為190℃。

圖2 復合材料模壓成型Fig.2 Compression molding of composite

錦葵莖皮纖維的結晶度采用紅外光譜法進行測定，為便于比較同時制備了100g的純聚丙烯板材。纖維增強復合材料與純聚丙烯板材的拉伸性能均按照GB 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行測試;彎曲性能均按照GB 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗法》進行測試;錦葵莖皮纖維增強復合材料拉伸斷裂面的微觀結構采用SEM掃描電鏡進行分析;復合材料與純聚丙烯板材的隔聲性能在自制隔聲性能測試裝置上進行測試。

2 結果與討論

2.1 錦葵莖皮纖維的結構與性能分析

2.1.1 纖維的微觀結構

圖3示出錦葵莖皮纖維堿處理前后表面的掃描電鏡照片。在圖3(a)中，錦葵莖皮纖維表面在堿處理之前殘留著大量的果膠物質，而堿處理之后，錦葵莖皮纖維表面的膠質不但被大部分清除，而且纖維表面也出現很多溝槽，表面粗糙度提高(見圖3(b))。這說明堿作用能極大地分離、溶解大部分非纖維素物質，如半纖維素、果膠、木質素等，降低了纖維的微纖旋轉角，從而使表面得到刻蝕［10，14］。顯然，錦葵莖皮纖維表面得到刻蝕后，能有效地提高錦葵莖皮纖維與基體之間的滑脫阻力，即增強了纖維與基體之間的黏結效果。

圖3 堿處理前后錦葵莖皮纖維(×5000)Fig.3 SEM photographs of virginica stem bark fiber(×5000).(a)Untreated;(b)Alkali treated

2.1.2 纖維的基本性能

對未處理以及7.5%堿液處理后的錦葵莖皮纖維常規物理指標進行了測試，結果見表1。由表可知:堿處理后錦葵莖皮纖維的吸濕性有所降低，其主要原因在于錦葵莖皮纖維表面的羥基與堿之間生成了堿纖維素，減少了一定數量的親水性基團［15］;堿處理降低了錦葵莖皮纖維的線密度，然而它的拉伸強度卻有所上升，相比未處理之前，拉伸強度提高了2.43%，這主要由于堿作用后，果膠、木質素等物質大量減少致纖維細化，使錦葵莖皮纖維內部的大分子鏈自由活動的范圍擴大，使分子鏈盡可能地沿著纖維長度方向進行規則排列，致使纖維的結晶度有所提高［9－10］。錦葵莖皮纖維堿處理前后的紅外光譜如圖4所示。堿處理后錦葵莖皮纖維在3400～3200 cm－1處的—OH基團吸收峰有所減小，在1740 cm－1吸收峰處，堿處理后錦葵莖皮纖維半纖維素的 ==C O伸縮振動吸收峰也有所下降，另外堿處理錦葵莖皮纖維在2916 cm－1處的吸收峰明顯增加，將未發生明顯變化的譜帶用于分析構象和結晶的變化，通過紅外光譜法［16］測定錦葵莖皮纖維堿處理前后的結晶度，用2916、1740、1054 cm－1三譜帶分析結晶度，可證實堿處理后錦葵莖皮纖維的結晶度為0.92，大于未處理錦葵莖皮纖維的結晶度0.87。

表1 錦葵莖皮纖維的性能Tab.1 Properties of virginica stem bark fiber

圖4 錦葵莖皮纖維的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra photographs of virginica stem bark fiber

2.2 復合材料的強度分析

各復合材料的拉伸強度和彎曲強度如表2所示。質量分數分別為40%、30%、20%、10%、0的錦葵莖皮纖維增強復合材料分別記為A40、A30、A20、A10、A。圖5為不同錦葵莖皮纖維含量的復合材料拉伸斷裂面微觀結構圖。

表2 錦葵莖皮纖維增強聚丙烯復合材料的強度Tab.2 Strength of virginica stem bark fiber reinforced polypropylene composites MPa

圖5 不同錦葵莖皮纖維纖維含量的復合材料拉伸斷裂面(×200)Fig.5 Tensile fracture surface's microstructure of composites with different fiber contents of virginica stem bark fiber(×200)

由表2可知，當錦葵莖皮纖維質量分數從0%開始增加時，其增強聚丙烯復合材料的拉伸強度出現先增大后減小的變化過程，質量分數為30%時，拉伸強度達到最大值為37.5 MPa，如圖5所示。當錦葵莖皮纖維質量分為在10%左右時，纖維的分散性較高，且錦葵莖皮纖維進行了堿處理，表面的羥基有明顯減少［17］，因此錦葵莖皮纖維與基體之間能形成良好的黏結，且孔隙較小，但此時復合材料的強度取決于基體聚丙烯的強度，錦葵莖皮纖維在基體中所起的增強作用還不夠明顯;當錦葵莖皮纖維的質量分數在20%左右時，錦葵莖皮纖維的聚集程度有所提高，模壓成型時錦葵莖皮纖維之間會發生一定的擠壓，導致纖維和基體之間孔隙有所增大，纖維和基體的黏結力下降，少數纖維從基體當中抽拔出來，但錦葵莖皮纖維分布趨向均勻，基體對纖維總浸潤面積增加，錦葵莖皮纖維間傳遞載荷效率提高，因錦葵莖皮纖維與基體總的黏結力增加，此時孔隙對復合材料強度的削弱作用較小，因此復合材料的拉伸強度仍呈現增加趨勢;若纖維質量分數過高，當錦葵莖皮纖維的質量分數達到30%時，錦葵莖皮纖維在基體當中的密集程度更高，纖維在基體當中會發生簇擁現象，錦葵莖皮纖維和基體之間會形成更大的孔隙，纖維與基體之間的黏結作用即機械鎖接力會明顯下降，基體對錦葵莖皮纖維的包覆和浸潤效果變差，基體的連續性及與纖維的黏結性下降，導致復合材料的拉伸強度呈現明顯的下降過程。然而，彎曲強度隨著纖維質量分數的增加出現逐漸增大的趨勢，與純聚丙烯相比，纖維質量分數10%、20%、30%和40%的復合材料彎曲強度分別增大13%、27%、38%和48%，其原因在于彎曲過程中未產生斷裂，彎曲強度上反映的是試樣中點處產生一定位移時所承受的載荷，因此當基體中纖維分布較均勻時，錦葵莖皮纖維質量分數越多，越能承受一定的彎矩作用。

2.3 復合材料的模量分析

各復合材料的拉伸和彎曲模量測試結果如表3所示。由表可知，復合材料的拉伸模量和彎曲模量隨著錦葵莖皮纖維質量分數的增加出現先增大后減小的趨勢，其原因在于純聚丙烯的斷裂延伸性較大，當錦葵莖皮纖維質量分數逐漸增大時，一方面由于錦葵莖皮纖維與基體之間能形成很好的黏結界面［18］，另一方面由于錦葵莖皮纖維本身的模量就比較高，這2個內在原因都限制了復合材料的拉伸和彎曲變形，因此拉伸和彎曲模量逐漸上升，但當錦葵莖皮纖維質量分數超過30%時，由于纖維和基體之間的空隙明顯增大，使纖維和基體之間的應力傳遞作用效果減弱，復合材料易受外力作用產生拉伸或彎曲變形，因此模量有所下降。

表3 錦葵莖皮纖維增強聚丙烯復合材料的模量Tab.3 Modulus of virginica stem bark fiber reinforced polypropylene composites GPa

2.4 復合材料的強伸性分析

當錦葵莖皮纖維質量分數為0、10%、20%、30%、40%時，其制得的增強復合材料的斷裂伸長率分別為 4.22%、3.13%、2.87%、2.64%、2.45%，可見純聚丙烯的拉伸斷裂延伸率最大，復合材料的斷裂延伸率隨著錦葵莖皮纖維質量分數的增加逐漸減小，其原因在于錦葵莖皮纖維加入后，由于錦葵莖皮纖維的斷裂延伸性低于純聚丙烯，因此復合材料的拉伸斷裂延伸率明顯下降，當錦葵莖皮纖維增多時，錦葵莖皮纖維被基體包覆的面積逐漸減小，且錦葵莖皮纖維與基體之間有明顯的孔洞，纖維與基體之間的黏結力較小，當承受外力載荷時，錦葵莖皮纖維與基體之間易滑脫。

2.5 復合材料的隔聲性能分析

各復合材料的隔聲性能測試結果如圖6所示。圖中發聲測試頻率從1000 Hz增加到8000 Hz，間隔頻率為1000 Hz，測得的聲電壓峰值衰減率越大，表示復合材料隔聲性能越好。

圖6 錦葵莖皮纖維增強聚丙烯復合材料的隔聲性能Fig.6 Acoustic properties of virginica stem bark fiber reinforced polypropylene composites

由圖6可看出，所有板材的隔聲性能均隨發聲頻率的提高而增大，可見它們都對高頻聲波的衰減效果較好。此外，當錦葵莖皮纖維的質量分數超過10%時，隨發聲頻率的提高，各板材的隔聲效果先增強后減弱，在發聲頻率為6000 Hz時的隔聲效果最佳;當錦葵莖皮纖維的質量分數低于10%時，當發聲頻率相同時，纖維含量越低，隔聲效果越差，其原因是堿處理后的錦葵莖皮纖維表面粗糙程度有了明顯的改善，使得聲音在投射到纖維表面時，經過多次折射和反射便無法通過復合材料，隔聲效果提高;當錦葵莖皮纖維的質量分數超過30%時，隔聲效果卻反而下降，其原因是錦葵莖皮纖維質量分數太高時，即便粗糙度較高的錦葵莖皮纖維能有效地起到隔聲效果，卻由于錦葵莖皮纖維與基體之間的界面增多，復合材料內部的空隙數目增多導致部分聲音能穿過。

3 結論

1)當錦葵莖皮纖維質量分數從0開始增加時，其增強聚丙烯復合材料的拉伸強度出現先增大后減小的變化過程，且在纖維質量分數為30%時，復合材料的拉伸強度達到最大值，為37.5 MPa;彎曲強度隨纖維質量分數的增加出現逐漸增大的趨勢，與純聚丙烯相比，纖維質量分數為10%、20%、30%和40%的復合材料的彎曲強度分別增大了13%、27%、38%和48%。

2)當錦葵莖皮纖維質量分數從0開始增加時，其增強聚丙烯復合材料的拉伸、彎曲模量出現先增大后減小的變化趨勢，當纖維質量分數在30%時，拉伸和彎曲模量均達到最大值;純聚丙烯的拉伸斷裂延伸率最大，當錦葵莖皮纖維質量分數增加時，復合材料的斷裂延伸率產生逐漸下降的變化趨勢。

3)當錦葵莖皮纖維質量分數超過10%時，隨發聲頻率的提高，復合材料的聲電壓峰值衰減率先增大后減小，對頻率為6000 Hz的阻擋效果最好;對同一發聲頻率，錦葵莖皮纖維質量分數越低，隔聲效果越差，當錦葵莖皮纖維的質量分數超過30%時，隔聲效果反而下降。

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