全 文 ：改性与合金
剑麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料力学性能＊
龚　炫 ,席建玲 ,吴宏武
(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心 ,聚合物加工成型加工教育部重点实验室 ,广东 , 广州　510640)
　　摘要:采用正交实验的方法 , 以纤维长径比 、纤维含量和纤维的处理方式为因素 ,以剑麻纤维增强聚乳酸可降解复
合材料的力学性能包括拉伸强度 、拉伸模量 、弯曲强度 、弯曲模量和冲击强度为指标 ,运用极差和方差分析方法 , 探讨
复合材料力学性能影响因素的敏感性 ,得到复合材料力学性能最佳的优化方案。
关键词:剑麻纤维;烷基化处理;正交实验;纤维增强;力学性能;可降解复合材料
中图分类号:TQ321.2　文献标识码:A　文章编号:1001-9456(2010)03-0026-04
TreatmentandEfectonMorphologicalStructureandMechanicalPropertiesofSisalFiber
GONGXuan, XIJian-ling, WUHong-wu
(TheNationalEngineeringResearchCenterofNovelEquipmentforProcessing, theKeyLaboratoryofPolymerProcessing
EngineeringofMinistryofEducation, SouthChinaUniversityofTechnology, Guangzhou, Guangdong510640, China)
　　Abstract:Orthogonalexperimentalapproachwasappliedtooptimizethemechanicalproperties, suchastensilestrength,
tensilemodulus, flexuralstrength, flexuralmodulusandimpactstrengthofdiscontinuousnaturalfibersreinforcedbiodegradable
composite(D-NFRBC)withfactorsoffiber slength-diameterratio, fibercontentandtreatmenttofibers.Theanalysisof
extremediferenceandvariancemethodswasadoptedtoexploresensitivityoffactorstothemechanicalpropertiesofthe
D-NFRBC, andthecombinationoffactorsofthebestmechanicalpropertiesofD-NFRBCwereobtained.
Keywords:sisalfibers;alkalationtreatment;orthogonalexperiment;fiberreinforcement;mechanicalproperties;NFRBC
　　当今 , 世界各国对植物纤维增强可降解复合材料(NFRBC)
的开发方兴未艾 , 这是由于它符合 “碳循环平衡”、节能 、环保的
潮流。而非连续植物纤维增强可降解复合材料(discontinuous
naturalfibersreinforcedbiodegradablecomposite, 简称 D-NFRBC)
具有自动化生产及成本优势而成为 NFRBC研究中的热点。根
据各国和地区的天然植物纤维品种的不同 , 文献报道的 D-
NFRBC很多 [ 1] ,包括:洋麻 、剑麻 、亚麻 、大麻 、苎麻 、黄麻 、竹原
纤维 、甘蔗渣纤维 、小麦秸秆纤维 、松树叶纤维与可降解树脂进
行复合制备可降解复合材料。
复合材料是多相非均匀材料 ,由纤维 、基体和界面三大组分
构成 , 它的性能与材料各相的组分 、界面相容性 、纤维排列方向
铺层顺序以及工艺条件有关 , 其中界面对材料的物理和化学性
能起到重要的作用。由于剑麻纤维含有大量的羟基而呈现亲水
性 , 而大部分聚合物是憎水的 ,因而不利于剑麻纤维与树脂基体
的界面粘结。很多关于纤维增强复合材料的预测模型都确立了
纤维含量与长径比和力学性能之间的关系 [ 2-4] , 但是在加工过
程中纤维受到剪切 , 不可避免地会被剪断和撕裂 ,即长径比会发
生变化 , 这些模型的预测与实际材料的力学性能有差别。文章
通过考察碱处理和烷基化两种处理方法提高其界面性能和相容
性 ,采用正交试验找到最优的复合材料力学性能的纤维处理方
式 、含量 、初始长径比。
1　实验部分
1.1　原料
PLA:3051D,美国 NatureWorks公司;
束状剑麻纤维:GB/T15031-94, 广东东方剑麻集团有限
公司;
其它试剂:市售。
1.2　设备与仪器
纤维切断机:XQD140, 丹东市人民机器厂;
Brabender转矩流变仪:PLASTI-CORDER, 德国 brabender
—26—
龚　炫等———剑麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料力学性能
　　塑　料
2010年　39卷　第 3期
＊ 收稿日期:2009-08-03
作者简介:龚炫(1983-),男 ,在读硕士研究生。
通信联系人:吴宏武(1965-),男 ,教授 ,博士生导师。研究方向:高分子材料成型加工及计算机应用;高分子材料加工过程 CAD/CAE;模具
CAD/CAE/CAM;高分子材料成型机械设计与理论。 E-mail:mmhwwu@scut.edu.cn。
公司;
台式电子万能试验机 , 5566型 ,美国 Instron公司。
1.3　剑麻纤维的处理
将束状的剑麻纤维切成 2、4、6、8、10 mm5种长度。
碱处理:室温下 , 将切好的剑麻纤维束浸入 10 % NaOH溶
液中并搅拌 1h,然后水洗 , 用 3%硝酸酸洗 , 再水洗 、脱水 、晾干
备用。烷基化处理:室温下 ,将切好的剑麻纤维束浸入含有 1 %
异丙醇(CH3)2CHOH的 20% NaOH溶液中 15 min, 水洗 、酸洗
(3 %醋酸)、水洗 、脱水 、晾干备用。
1.4　剑麻 /聚乳酸(PLA)材料的制备与实验表的设计
首先 , 将 PLA在 100 ℃下干燥 4 h, 剑麻在 105 ℃下干燥
12 h。然后在 Brabender转矩流变仪上密炼 , 加工工艺参数设置:
加工温度 190 ℃, 转子转速 40 r/min, 混炼时间 8 min。按表 1
三因素三水平正交实验表在 Brabender转矩流变仪上密炼 , 分别
为纤维质量分数 、纤维初始长径比和纤维预处理方式三因素。
然后将混炼好的物料用平板硫化机在 190 ℃、 10 MPa的条件下
压制成模塑板 , 最后用机械方法加工成标准测试样条 , 以便进行
力学性能测试。
表 1　正交试验安排
实验号 A长径比
B
含量
C
处理方式
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1(32.70)
1(32.70)
1(32.70)
2(46.48)
2(46.48)
2(46.48)
3(54.50)
3(54.50)
3(54.50)
1(20)
2(30)
3(50)
1(20)
2(30)
3(50)
1(20)
2(30)
3(50)
1(未处理)
2(碱处理)
3(烷基化处理)
2(碱处理)
3(烷基化处理)
1(未处理)
3(烷基化处理)
1(未处理)
2(碱处理)
1.5　力学性能测试
室温下 , 用 5566型 Instron台式电子万能试验机测试复合
材料的拉伸及弯曲性能。 力学样条与测试:拉伸样条为长
180mm、平行段长为 70 mm×10 mm×2 mm的哑铃状试样 , 拉
伸速度为 2 mm/min, 夹具间距为 120 mm,弯曲样条尺寸 80 mm×
10 mm×4 mm的试样 , 加载速度为 3 mm/min, 跨度为 64 mm。
采用简支梁式冲击韧性实验方法进行冲击性能测试 , 试样尺寸
为 65 mm×10 mm×4 mm。
2　结果与讨论
2.1　正交数据分析
复合材料的力学性能测试结果及直观统计分析如表 2, 方
差分析如表 3所示。
表 2　实验结果及直观统计分析
实验号 拉伸强度/MPa
拉伸模量
/MPa
弯曲应力
/MPa
弯曲模量
/MPa
冲击性能
/(kJ/m2)
1 7.8 1936.9 25.0 4152.9 3.1
2 6.9 1757.2 16.3 2723.9 3.5
3 10.9 2724.1 28.9 5754.2 4.4
4 5.9 1675.6 19.2 4280.8 3.4
5 6.0 1665.4 16.2 3980.2 3.8
6 12.5 3137.5 26.0 6894.3 3.7
7 5.3 1697.8 16.9 4958.5 3.2
8 7.5 2296.1 17.8 5014.5 2.6
9 12.6 3102.8 22.2 6441.9 3.8
A
κ1 8.563 2139.421 23.423 4210.317 3.658
κ2 8.131 2159.512 19.567 5051.788 3.651
κ3 8.467 2365.575 22.013 5471.652 3.182
S 0.432 226.154 3.856 1261.335 0.476
B
κ1 6.350 1770.109 23.420 4464.076 3.237
κ2 6.807 1906.268 16.803 3906.203 3.290
κ3 12.005 2988.132 24.780 6363.477 3.963
S 5.655 1218.023 7.977 2457.274 0.726
C
κ1 9.255 2456.826 22.020 5353.900 3.139
κ2 8.484 2178.556 19.280 4482.228 3.553
κ3 7.423 2029.126 23.703 4897.629 3.798
S 1.832 427.700 4.423 871.672 0.659
最优方案 A1B3C1 A3B3C1 A1B3C3 A3B3C1 A1B3C3
　　注:κ1、κ1、κ1分别表示在各水平下指标总和 ,极值 S愈大就表示该因素的水
平变动对实验结果影响愈大。
表 3　方差分析表
方差来源 离差平方和 S 自由度 γ 均方 MS F值 显著性
拉伸强度
A 0.309 2 0.1545 0.396 -
B 59.205 2 29.6025 75.90 显著
C 5.076 2 2.538 6.508 -
误差 E 0.78 2 0.39 - -
总和T 65.37 8 F0.99(2, 2)=99, F0.95(2, 2)=19
—27—
龚　炫等———剑麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料力学性能
　　塑　料
2010年　 39卷　第 3期
方差来源 离差平方和 S 自由度 γ 均方 MS F值 显著性
修正
B 59.205 2 29.6025 108.73 高度显著
C 5.076 2 2.538 9.32 显著
误差 E 1.089 4 0.27225 - -
总和T 65.37 8 F0.99(2, 4)=18, F0.95(2, 4)=6.94
拉伸模量
A 94011.538 2 47005.769 36.1 显著
B 2672551 2 1336275.5 1026 高度显著
C 282691.24 2 141345.62 108.6 高度显著
误差 E 2604.03 2 1302.015 - -
总和T 3051857.8 8 F0.99(2, 2)=99, F0.95(2, 2)=19
弯曲强度
A 22.848 2 11.424 19.396 显著
B 109.257 2 54.6285 92.748 显著
C 29.907 2 14.9535 25.388 显著
误差 E 1.18 2 0.59 - -
总和T 163.192 8 F0.99(2, 2)=99, F0.95(2, 2)=19
弯曲模量
A 2475325.4 2 1237662.7 49.666 显著
B 9957140.8 2 4978570.4 199.783 高度显著
C 1140554.3 2 570277.15 22.884 显著
误差 E 49839.68 2 24919.84 - -
总和T 13622860 8 F0.99(2, 2)=99, F0.95(2, 2)=19
冲击强度
A 0.447 2 0.2235 13.545 -
B 0.984 2 0.492 29.818 显著
C 0.665 2 0.3325 20.152 显著
误差 E 0.03 2 0.015 - -
总和T 2.126 8 F0.99(2, 2)=99, F0.95(2, 2)=19
2.2　复合材料的拉伸强度
由表 3在显著性水平 α=0.05时 , 纤维含量(B)的影响是
显著的 , 纤维初始长径比(A)和纤维预处理方式(C)的影响都
不显著。为了提高分析精度 , 把因素 A并入误差 , 得新的方差
分析如表 3修正的拉伸强度。
从 F值和 F0.95临界值的比较来看 ,纤维含量(B)对拉伸强
度的影响是高度显著的 ,这是符合 Kely-Tyson拉伸强度预测模
型 [ 3] , 纤维预处理方式(C)对拉伸强度的影响是显著的 ,纤维初
始长径比(A)的影响不显著。选定的最优方案为 A1B3C1。正
交表中没有这个方案 ,从实验结果可看出 , 在这 9次试验中 , 最
好的是第 9 号实验 , 其值为 12.59 MPa, 它的水平组合是
A3B3C2 , 同等条 件下测 得聚乳酸 (PLA)的拉伸强 度为
27.745 MPa, 可知 ,加入纤维后 , 其拉伸强度下降很多。究其原
因 , 虽然碱处理除去了剑麻纤维表面的半纤维素和木素及杂质 ,
增加纤维与 PLA树脂基体的浸润界面面积 ,但剑麻纤维和基体
材料聚乳酸的极性不匹配 , 相容性差无法得到改善 , 反而增加了
复合材料的缺陷 , 容易导致应力集中从而严重地降低了材料的
强度。
2.3　复合材料的拉伸模量
由方差分析结果表明:纤维预处理方法(C)和纤维含量
(B)对复合材料拉伸模量的影响在统计上是高度显著的 , 纤维
初始长径比(A)对复合材料拉伸模量的影响在统计上是显著
的。影响因素从大到小的顺序为纤维含量(B)、纤维预处理方
法(C)、纤维初始长径比(A),选定的最优方案为 A3B3C1。正交
表中没有这个方案 , 从实验结果可看出 , 在这 9次试验中 , 最好
的是第 6号实验 ,其值为 3 137.5MPa,它的水平组合是 A2B3C1。
同等条件下测得聚乳酸(PLA)的拉伸模量为 1 552.7 MPa,提高
了 102%。模量是表征材料抵抗变形能力的大小 ,模量愈大愈
不容易变形 ,刚性剑麻纤维的加入使得复合材料应变能力下降 ,
刚度增大 ,由于改性后剑麻纤维的模量小于未处理剑麻纤维的
模量 , 未处理剑麻纤维的断裂伸长率(2.84 %)与基体材料聚乳
酸的断裂伸长率(4.65 %)的匹配性较好 ,能够较好地发挥纤维
的增强作用;且剑麻在复合材料中有较大的质量分数 , 因而 , 上
述因素使得复合材料的模量有大幅度的提高。
—28—
龚　炫等———剑麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料力学性能
　　塑　料
2010年　39卷　第 3期
2.4　复合材料的弯曲强度
由方差分析结果表明:纤维含量(B)、纤维处理方式(C)和
纤维初始长径比(A)对复合材料弯曲强度的影响在统计上是显
著的。选定的最优方案是 A1B3C3 , 正交表中有这个方案 ,实验
值为 33.2 MPa。同等条件下测得聚乳酸(PLA)的弯曲强度为
20.1 MPa, 提高了 65.3 %。烷基化处理剑麻纤维表面得到刻
蚀 , 有利于与基体材料形成良好的界面层;根据纤维长径比(A)
的研究结果 , 烷基化处理剑麻纤维加工后的最终长径比(L/d)
较大 , 这些因素使复合材料的弯曲强度得到较大提高。
2.5　复合材料的弯曲模量
由方差分析结果表明:纤维含量(B)对复合材料弯曲模量
的影响在统计上是高度显著的 , 纤维预处理方法(C)和纤维初
始长径比(A)对复合材料弯曲模量的影响在统计上是显著的。
影响因素从大到小的顺序为纤维含量(B)、纤维初始长径比
(A)、纤维预处理方法(C), 选定的最优方案为 A3B3C1 , 这与拉
伸模量的最优方案是一样的。正交表中没有这个方案 ,从实验
结果可看出 , 在这 9次试验中 , 最好的是第 6号实验 , 其值为
6 894.4 MPa, 它的水平组合是 A2B3C1。同等条件下测得聚乳
酸(PLA)的弯曲模量为 2 668.6MPa, 提高了 158.3 %。
2.6　复合材料的冲击强度
由方差分析结果表明:纤维含量(B)和纤维预处理方法
(C)对复合材料冲击强度的影响在统计上是显著的。选定的最
优方案是 A1B3C3 , 正交表中有这个方案 ,实验值为 4.4 kJ/m2。
同等条件下测得聚乳酸(PLA)的冲击强度为 2.0 kJ/m2 ,提高了
124.4%。冲击强度是衡量材料韧性的一种强度指标 , 通常定
义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量 [ 5]。
复合材料吸收冲击能量的方式有 3种:纤维断裂 、纤维拔出 、树
脂断裂 [ 6] 。烷基化处理剑麻纤维表面得到刻蚀 ,有利于与基体
材料形成良好的界面层 , 并且根据纤维长径比(A)的研究结果 ,
烷基化处理剑麻纤维加工后的最终长径比(L/d)较大 , 因此 , 复
合材料收到冲击破坏时 , 纤维拔出需消耗较多的能量 ,有利于冲
击强度的提高。
3　结论
纤维含量和纤维预处理方式材料的力学性能都有非常显著
的影响。纤维的初始长径比仅对拉伸模量 、弯曲强度 、弯曲模量
有显著的影响。综合拉伸强度 、弯曲强度 、冲击强度性能 , 取初
始长径比为 32.7, 质量含量为 50 %,烷基化预处理方法能获得
最好的综合力学性能 , 对比聚乳酸纯料拉伸强度有较大的下降 ,
弯曲强度提高了 65.3 %,冲击强度提高了 124.4 %。
参考文献:
[ 1] 　郭伟娜.植物纤维增强可降解复合材料的研究现状 [ J].国外丝
绸 , 2009(1):25-29.
[ 2] 　KelyA, TysonWR.Tensilepropertiesoffibre-reinforcedmetals:
Copper/tungstenandcopper/molybdenum[ J] .JMechPhysSolids,
1965, 13:329-338.
[ 3] 　FukudaH, ChouTW.Aprobabilistictheoryofthestrengthofshort-
fibercompositeswithvariablefiberlengthandorientation[ J] .Journal
ofMaterialScience, 1982, 17:1 003-1 011.
[ 4] 　GarkhailSK, HeijenrathRW H, PeijsT.Mechanicalpropertiesof
natural-fibre-mat-reinforcedthermoplasticsbasedonflaxfibresand
polypropylene[ J] .AppliedCompositeMaterials, 2000(7):351-372.
[ 5] 　何曼君 , 陈维孝 ,董西侠.高分子物理 [ M] .上海:复旦大学出版
社 , 2003.
[ 6] 　YoungsA.AdvancedCompositestheLatestDevelopment[ M] .
Michigan:ASMInt, 1986:253.
(本文编辑 SXQ)
(上接 90页)
参考文献:
[ 1] 　Wunderlich B.MacromolecularPhysics, CrystalMeeting[ M] .
NewYork:AcademicPress, 1980.
[ 2] 　AharoniSM.n-Nylons, theirsynthesis, structure, andproperties[ M] .
Chichester, NewYork:Wiley, 1997.
[ 3] 　林志勇 ,黄丽丹 , 肖凤英 , 等.炭纤维表面官能团异氰酸酯化及阴
离子接枝尼龙 6研究——— (II)接枝对 CF/PA6复合材料中 PA6
多重熔融行为的影响 [ J].高分子材料科学与工程 , 2004, 20(3):
92-94.
[ 4] 　林志勇 ,林金清 ,曾汉民.高含量炭纤维对尼龙 6多重熔融行为的
影响 [ J] .高分子材料科学与工程 , 2004, 20(4):131-133.
[ 5] 　WengWG, ChenGH, WuDJ.Crystallizationkineticsandmelting
behaviorsofnylon 6/foliatedgraphitenanocomposites[ J] .Polymer,
2003, 44:8 119-8 132.
[ 6] 　黄虹文 ,刘长维 ,韦加崇.原位聚合 La2O3 /MC尼龙复合材料的制
备与性能 [ J].塑料 , 2008, 37(3):69-71.
[ 7] 　周莉 ,臧树良 ,田彦文.偶联剂对 MC尼龙 6/纳米 ZnO复合材料性
能的影响 [ J].塑料 , 2008, 37(3):82-83.
[ 8] 　陈婉吟 ,林志勇 ,杨俊 ,等.MC尼龙 6/ TiO2 原位纳米复合材料的
制备及表征 [ J].工程塑料应用 , 2004, 32(12):4-7.
[ 9] 　李勇进.长烷基链偶联尼龙的合成及结晶行为 [ D].上海:上海交
通大学 , 2001.
[ 10] 　ChoK, LiF, ChoiJ.Crystalizationandmeltingbehaviorof
polypropyleneandmaleatedpolypropyleneblends[ J].Polymer,
1999, 40:1 719-1 729.
[ 11] 　 YadavYS, JainPC.Meltingbehaviorofisotacticpolypropylene
isothermalycrystalizedfromthemelt[ J].Polymer, 1986, 27:721
-727.
(本文编辑 SXQ)
—29—
龚　炫等———剑麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料力学性能
　　塑　料
2010年　 39卷　第 3期