冰島馬毛纖維增強(qiáng)聚乳酸綠色復(fù)合材料的熱學(xué)和力學(xué)性能研究.pdf

1、本文主要嘗試使用一種冰島馬毛纖維增強(qiáng)聚乳酸制備一種新型的綠色復(fù)合材料，并試驗(yàn)研究了其熱學(xué)和力學(xué)性能。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，用可再生的纖維/聚合物材料生產(chǎn)的可生物降解、環(huán)境友好、可持續(xù)的所謂綠色復(fù)合材料漸漸吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。生長(zhǎng)于冰島嚴(yán)寒氣候地區(qū)的馬為了達(dá)到身體的正常新陳代謝功能，在進(jìn)化中它的毛羽漸漸生成具有較大中腔的御寒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)稱為髓腔(medullation)，髓腔內(nèi)包含大量的靜止空氣，其不僅降低了毛纖維的熱傳導(dǎo)，并在很低

2、程度的彎曲剛度損失下減少了纖維重量。冰島馬毛纖維外部有一層角質(zhì)層，角質(zhì)層由鱗片細(xì)胞構(gòu)成，其排列方向形成了動(dòng)物毛羽纖維特有的方向性摩擦效應(yīng)。這種形態(tài)被認(rèn)為可以增加纖維和基體間的界面剪切強(qiáng)度。因?yàn)橛蔁釅悍ㄖ圃鞆?fù)合材料過(guò)程中，基體會(huì)受力流入這些鋸齒狀的小凹槽內(nèi)，并且纖維表面較高的摩擦系數(shù)使得纖維和基體的結(jié)合力得到增強(qiáng)，從而增加了復(fù)合材料的力學(xué)性能。并且，動(dòng)物毛羽角蛋白的氨基酸鏈的側(cè)基主要為疏水性集團(tuán)，這使它與同為疏水性的PLA基體間存在一定的

3、兼容性?；诒鶏u馬毛纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文制備了新型綠色復(fù)合材料，并著重對(duì)熱傳導(dǎo)和拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試分析，主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　 1)冰島馬毛/PLA綠色復(fù)合材料的制備
　　 試驗(yàn)冰島馬毛纖維的長(zhǎng)度在1cm至6cm之間，用SEM電鏡估測(cè)其纖維直徑在80μm至150μm之間。纖維在制備前經(jīng)過(guò)了清洗工序來(lái)去除非毛雜質(zhì)，并在室溫下干燥了48小時(shí)。通過(guò)手工纖維鋪層將其和直徑大約為3mm小珠狀PLA2003D顆粒一起用熱壓法

4、制備了纖維隨機(jī)排列和近似單向的復(fù)合材料，纖維體積含量分別為0％、1％、5％、10％、15％、20％。其中，復(fù)合材料中纖維隨機(jī)排列方向的制備了五種纖維含量，而纖維近似單向的只制備了15％的纖維含量。
　　 2)復(fù)合材料的孔隙含量測(cè)試分析
　　 根據(jù)ASTMD2734-94標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)復(fù)合材料的理論密度和通過(guò)水替代法測(cè)量的密度計(jì)算而得。復(fù)合材料內(nèi)孔隙形成最常見(jiàn)的原因是在基體浸漬纖維過(guò)程中無(wú)法完全排除纖維旁的空氣?？紫哆€可能是因?yàn)?/p>

5、在復(fù)合材料冷卻過(guò)程由于壓力和溫度對(duì)其比體積變化的聯(lián)合影響而造成的結(jié)晶收縮。如果壓力在其比體積減少前移除，則局部結(jié)晶而形成的收縮會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，而不是減少其厚度。結(jié)果顯示，除了纖維體積分?jǐn)?shù)為5％的復(fù)合材料孔隙量比10％和15％纖維量的復(fù)合材料要多，復(fù)合材料的孔隙量隨著其纖維量的增加有上升趨勢(shì).這是因?yàn)榻堑鞍妆M管大多為疏水性，但其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然包含一些氫鍵綁定的”結(jié)合水”，并且DSC研究顯示這些結(jié)合水在高溫下仍然很穩(wěn)定。綁定水會(huì)減

6、少角蛋白和非極性PLA的兼容性，因此，還是會(huì)有一小部分的孔隙在一些纖維的附近產(chǎn)生。根據(jù)對(duì)PLA的密度測(cè)量和理論計(jì)算，純PLA板內(nèi)并無(wú)孔隙，所以結(jié)晶收縮并不是這些復(fù)合材料產(chǎn)生孔隙的主要原因。所以孔隙含量隨著纖維含量增加而增加的趨勢(shì)的原因可能是纖維結(jié)構(gòu)中和基體不兼容的”結(jié)合水”，而含5％纖維量的復(fù)合材料孔隙較多的原因可能是生產(chǎn)其的這批纖維并沒(méi)有完全干燥，因此殘留的水分導(dǎo)致其產(chǎn)生較多的孔隙。20％纖維含量的復(fù)合材料有最多的孔隙，并遠(yuǎn)大于15％

7、纖維含量的復(fù)合材料。這可能是因?yàn)楫?dāng)纖維體積含量達(dá)到20％時(shí)，基體的量已經(jīng)不能夠完全浸漬所有的纖維表面。還有可能是當(dāng)纖維量達(dá)到20％時(shí)，基體已經(jīng)很難穿透密集的纖維集合體。
　　 3)復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試分析
　　 復(fù)合材料及純PLA板材的拉伸強(qiáng)力、模量和拉伸應(yīng)變根據(jù)ASTMD3039-07標(biāo)準(zhǔn)用INSTRON5500R測(cè)試。近似單向的復(fù)合材料拉伸測(cè)試方向?yàn)槔w維的縱向。機(jī)器拉伸頭的隔距長(zhǎng)度為7.5cm，拉伸速度為2mm/m

8、in，測(cè)力傳感器為500kg。測(cè)試結(jié)果顯示，纖維近似單向的復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)力和模量比純PLA及纖維隨機(jī)排列的復(fù)合材料板都要顯著地大，說(shuō)明馬毛纖維強(qiáng)力大于PLA，理想情況下，單向纖維復(fù)合材料所受的力都會(huì)傳遞至纖維軸向由纖維承擔(dān)。纖維隨機(jī)排列的復(fù)合材料板強(qiáng)力比純PLA的要低，模量高，而纖維隨機(jī)方向的復(fù)合材料間的強(qiáng)力和模量并沒(méi)有顯著差別。事實(shí)上，復(fù)合材料的拉伸性質(zhì)由許多因素決定，包括纖維和基體本身的拉伸性能、纖維體積含量、孔隙量、纖維取向分

9、布、纖維長(zhǎng)度分布和纖維和基體的界面作用，更受到由于試驗(yàn)條件而采用的手工纖維鋪層方法的限制。因?yàn)轳R毛纖維的強(qiáng)力和模量大于PLA，所以造成上述現(xiàn)象的原因可能在于纖維取向、長(zhǎng)度和復(fù)合材料孔隙量。也許因?yàn)槔w維手工鋪層方法的限制，纖維隨機(jī)方向的復(fù)合材料板中只有少量的纖維排列在拉伸測(cè)試方向，也可能是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度太長(zhǎng)，導(dǎo)致纖維在復(fù)合材料加工中受到力而產(chǎn)生塑性變形又或者是存在于復(fù)合材料板中的不同孔隙量導(dǎo)致了上述結(jié)果。復(fù)合材料的拉伸斷裂面根據(jù)SEM分析了

10、纖維和基體的剝離、纖維的斷裂、纖維的抽出等。觀察結(jié)果表明冰島馬毛纖維和PLA的界面作用不錯(cuò)，但并沒(méi)有達(dá)到最大化的狀態(tài)。
　　 4)復(fù)合材料的隔熱性能測(cè)試分析
　　 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)使用ThermolabKESF-TL2C系統(tǒng)測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD1518-11a測(cè)試。此裝置測(cè)試了熱流從溫暖干燥恒溫的平板經(jīng)過(guò)一層復(fù)合材料進(jìn)入冷空氣的傳導(dǎo)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，冰島馬毛纖維的添加顯著的降低了復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，并且，當(dāng)纖維體積含

11、量從1％增加到20％時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)從0.071W/mK降至0.043W/mK。復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能取決于許多參數(shù)包括纖維體積含量、纖維取向、纖維分布、纖維密度，纖維和基體類型和孔隙量。因?yàn)槔w維的長(zhǎng)度(1cm-6cm)遠(yuǎn)比復(fù)合材料的厚度(0.05cm左右)大，而復(fù)合材料加工工序中的壓力有將纖維壓平的趨勢(shì)，所以試驗(yàn)中測(cè)量的復(fù)合材料厚度方向的熱傳導(dǎo)性能可以假設(shè)為垂直于纖維軸向。因此，決定影響熱傳導(dǎo)性能的參數(shù)為纖維量和孔隙量。由于冰島馬

12、毛纖維內(nèi)的空腔含有大量的靜止空氣，靜止空氣的熱傳導(dǎo)率比毛纖維或PLA本身都要低，所以纖維含量越多，靜止空氣越多，復(fù)合材料的熱隔絕性能也就越好。然而，1％到15％纖維含量的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)間并沒(méi)有顯著差異(P＞0.05)。這可能是因?yàn)闃颖玖刻。糠N纖維含量復(fù)合材料各2塊），使得其標(biāo)準(zhǔn)差太大。也有可能是由于受到手工纖維鋪層方法的限制，復(fù)合材料內(nèi)部纖維的分布并不均勻，在纖維含量較小的復(fù)合材料中，其中心區(qū)域也是測(cè)試區(qū)域的纖維可能更加密集，使

13、其具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)。值得一提的是5％纖維含量的導(dǎo)熱系數(shù)比10％含量的更低。前面已經(jīng)討論到，5％纖維含量的復(fù)合材料內(nèi)孔隙比10％纖維含量的更多，因此，5％纖維含量的復(fù)合材料內(nèi)的靜止空氣可能比10％的更多。
　　 5)復(fù)合材料傳熱模型的理論預(yù)測(cè)效果考查
　　 復(fù)合材料既可以被認(rèn)為是固相-固相系統(tǒng)，也可看做固相-氣相系統(tǒng)。在固相-氣相系統(tǒng)中，纖維結(jié)構(gòu)中的空氣和復(fù)合材料中存在的孔隙是氣相，纖維本身和基體是固相。這兩類系統(tǒng)都被廣

14、為研究，并提出過(guò)很多的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模型。在本文中，冰島馬毛纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料被當(dāng)做固相-固相，即纖維相-基體相系統(tǒng)。由于纖維的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于復(fù)合材料的厚度，所以假設(shè)纖維在復(fù)合材料制備時(shí)受壓變平，而橫躺于熱傳導(dǎo)測(cè)試的方向。所測(cè)的復(fù)合材料的厚度方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)也就可以被假設(shè)是橫向熱傳導(dǎo)系數(shù)。本文用了三種理論方法，分別為串聯(lián)模型、Halpin-Tsai理論模型、Lewis和Nielsen半理論模型來(lái)計(jì)算復(fù)合材料的橫向熱傳導(dǎo)系數(shù)。這些方法都假設(shè)復(fù)