固化溫度對苧麻纖維增強復合材料性能的影響

劉燕峰， 包建文， 李艷亮， 益小蘇

（北京航空材料研究院先進復合材料重點實驗室，北京 100095）

為減少污染、保護環境，同時為應對日益逼近的能源危機和資源約束，植物纖維及其復合材料日益成為人們的研究熱點。植物纖維主要包括苧麻、亞麻、劍麻、大麻和木纖維等，與合成纖維相比，具有輕質、無毒、低成本、高的比強度和比模量及可生物降解特性［1～8］。其中，苧麻纖維在中國來源廣泛，被稱作“中國草”，其力學性能較為優異，拉伸強度為400～938 MPa，拉伸模量為61.4～128.0GPa。因此，科學工作者廣泛開展了苧麻纖維織物增強樹脂基復合材料性能的研究［8～13］。植物纖維增強復合材料根據基體樹脂的種類，通常需在室溫～200℃的范圍內進行加工，而植物纖維是由纖維素、半纖維素、木質素、果膠等成分組成，這些成分隨溫度升高而逐漸氧化降解，從而導致纖維力學性能下降，但固化溫度對植物纖維增強復合材料力學性能影響的研究很少報道［14］。

本工作首先研究了固化溫度對環氧樹脂力學性能的影響;固化溫度對苧麻纖維絲束力學性能的影響，然后研究了固化溫度對單向苧麻纖維增強環氧樹脂基復合材料力學性能的影響，同時也對比研究了單向苧麻纖維和單向玻璃纖維增強樹脂基復合材料的力學性能。

1 實驗部分

1.1 原材料

苧麻纖維紗線由江西井竹麻業有限公司提供。環氧樹脂牌號為3233，北京航空材料研究院制。玻璃纖維為高強度玻璃纖維無捻粗紗EC-960A，由中材科技股份有限公司提供。

1.2 測試儀器及條件

示差掃描量熱儀（DSC）為Terkin-Elmer DSC-7，升溫速率為20℃/min。熱失重分析儀（TGA）為Perkin-Elmer TGA-2，升溫速率為20℃/min。

樹脂板材和復合材料的力學性能在Instron Model試驗機上測試。復合材料的拉伸試樣尺寸為250mm×15mm，測試標準為ASTM D3039。彎曲試樣尺寸為80mm×12.5mm，跨距為厚度16倍，測試標準為ASTM D790。復合材料的壓縮試樣尺寸為140mm×12mm，測試標準為ASTM D6641。復合材料的剪切試樣尺寸為30mm×6mm，測試標準為ASTM D2344，跨距為厚度4倍和5倍。樹脂的拉伸性能測試按照標準ASTM D638，試樣為啞鈴型，彎曲性能測試按照標準ASTM D790，跨距為厚度16倍。

1.3 環氧樹脂板材的制備

為了能有效地抑制樹脂中的氣泡，采用模壓工藝制備環氧樹脂板材，將樹脂鋪放入模具中，然后加熱到100℃，停留一定時間，待樹脂出現拉絲現象時，開始加壓，最大壓力為10 MPa，升溫到特定的溫度固化2h，后逐漸降溫到50℃時，釋放壓力，得到環氧樹脂板材。

1.4 復合材料的制備

采用模壓工藝制備復合材料，將預浸料鋪放入模具中，然后加熱到80℃時，開始加壓，最大壓力為3 MPa，升溫到特定的溫度固化2h，后逐漸降溫到50℃時，釋放壓力，得到復合材料層合板。

2 結果與討論

2.1 樹脂和苧麻纖維的熱性能

圖1為環氧樹脂3233的DSC曲線，升溫速率為20℃/min。120～200℃寬的吸熱峰是由于環氧樹脂固化反應放熱所致，峰值溫度為142℃。圖2為環氧樹脂 3233的 DMA曲線，升溫速率為5℃/min。從損耗角正切曲線可以看出，樹脂分別在120℃，140℃和180℃下固化2h后，其玻璃化轉變溫度依次為146℃，151℃和161℃，可見隨著固化溫度的升高，環氧樹脂交聯密度逐漸增大，其玻璃化轉變溫度升高。苧麻纖維的熱失重曲線如圖3所示，當溫度升到200℃時，失重約為8%，主要為纖維表面吸附水的揮發;當溫度繼續升高到200℃以上時，失重非常明顯，主要為纖維中高分子化合物的分解。當溫度升到780℃，重量殘留量約為8%，主要是殘留的苧麻纖維灰分，成分為無機鹽或無機氧化物。

圖1 環氧樹脂的DSC曲線Fig.1 The DSC curve of epoxy resin as a function of temperature

2.2 固化溫度環氧樹脂力學性能的影響

表1為環氧樹脂的力學性能，樹脂分別在120℃，140℃ 和 180℃固化 2h，“3233-120”表示復合材料的固化溫度為120℃。從表中可見，三種固化溫度下，樹脂的拉伸強度最大為51.0 MPa，最小為49.5 MPa;拉伸模量最大為2.63 GPa，最小為2.58 GPa;彎曲強度最大為 96.5 MPa，最小為94.0 MPa，彎曲模量最大為2.14 GPa，最小為2.00 GPa。結果表明，三種固化溫度對環氧樹脂基體的拉伸性能和彎曲性能影響不明顯。

表1 環氧樹脂的力學性能Table 1 The mechanical properties of epoxy resin

2.3 溫度對苧麻纖維拉伸性能的影響

苧麻纖維不同于合成纖維，其單絲力學性能本身離散性較大，因此很難研究固化溫度對單絲力學性能的影響。苧麻纖維絲束是通過數十根纖維單絲加捻而成，統計原理得知，其絲束的力學性能離散性較單絲小。因此，本工作參照碳纖維拉伸性能測試方法［15］，先用少量樹脂浸漬碳纖維絲束，然后測試固化后纖維絲束的拉伸性能，由于苧麻纖維的拉伸強度，尤其是拉伸模量都遠遠高于樹脂基體的拉伸性能，忽略樹脂對力學性能的影響，得到的數據即為苧麻纖維的拉伸強度和模量，其測試裝置如圖4所示。但是測試結果是苧麻纖維絲束拉伸性能離散性依然較大，不能真實地反應固化溫度對苧麻纖維力學性能的影響，所以工作并沒有列出具體的數據。

圖4 苧麻纖維力學測試試樣Fig.4 The specimen for mechanical test of Ramie fiber

2.4 固化溫度對苧麻纖維增強復合材料力學性能的影響

表2列出單向苧麻纖維增強復合材料的力學性能，苧麻纖維的體積含量約為60%。uRamie-3233-120表示復合材料的固化溫度為120℃。復合材料uRamie-3233-120和 uRamie-3233-140拉伸強度較大，分別為 270.3 MPa和 263.9 MPa，而 uRamie-3233-180的拉伸強度較小，為239.7 MPa。復合材料uRamie-3233-120和uRamie-3233-140的彎曲強度分別為336.2 MPa和328.1 MPa，而uRamie-3233-180的彎曲強度較小，為219.2 MPa。復合材料uRamie-3233-120和uRamie-3233-140的壓縮強度分別為150.4 MPa和157.8 MPa，而 uRamie-3233-180的彎曲強度較小，其值為108.0 MPa。三種復合材料拉伸模量、彎曲模量和壓縮模量數值相近。

當復合材料的跨厚比為5∶1時，復合材料uRamie-3233-120，uRamie-3233-140 和 uRamie-3233-180的層間剪切強度分別為24.9 MPa，22.4 MPa和17.3 MPa。當復合材料的跨厚比為4∶1時，復合材料 uRamie-3233-120，uRamie-3233-140 和 uRamie-3233-180的層間剪切強度分別為 26.4 MPa，23.9 MPa和18.7 MPa?？梢婋S著固化溫度的升高和跨厚比的提高，層間剪切強度逐漸降低。

180℃固化2h后，復合材料的強度變小，由于溫度對樹脂的強度影響不大，可見強度的減小主要是因為苧麻纖維的熱氧化降解，使纖維的力學性能降低，或纖維中物理或化學吸附水的進一步釋放，破壞了纖維和樹脂基體界面，使復合材料力學性能降低。

表2 單向苧麻纖維增強復合材料的力學性能Table 2 The mechanical properties of unidirectional ramie fiber reinforced composite

2.5 增強材料對復合材料力學性能的影響

本工作分別制備了平紋苧麻織物、單向苧麻纖維和單向玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料，對比研究了增強材料的類型對復合材料力學性能的影響，復合材料的纖維體積含量約為60%，固化工藝為120℃/2h，三種復合材料的力學性能如表3所示。單向苧麻纖維增強復合材料的力學性能要遠遠大于平紋苧麻織物增強復合材料的力學性能，如單向苧麻復合材料uRamie-3233-120的壓縮強度和壓縮模量分別為154.0 MPa和35.6 GPa，而苧麻織物增強復合材料fRamie-3233-120分別為95.0 MPa和9.2 GPa。由于玻璃纖維的拉伸強度約3500 MPa，高于苧麻纖維的拉伸強度，因此，玻璃纖維增強復合材料的強度也會明顯高于苧麻纖維增強復合材料的強度。而由于兩種纖維的模量相近，因此其增強復合材料的模量也相近。

表3 苧麻纖維和玻璃纖維增強復合材料的力學性能Table 3 The mechanical properties of ramie fiber and glass fiber reinforced composites

3 結論

（1）環氧樹脂基體3233在120℃/2h，140℃/2h和180℃/2h的固化工藝下，其力學性能變化不大。

（2）苧麻纖維絲束力學性能的分散性較大，不能用來研究固化溫度對纖維絲束力學性能的影響，進而預測固化溫度對復合材料力學性能的影響。

（3）苧麻纖維增強環氧樹脂基復合材料在120℃和140℃下固化2h后力學性能相當，但是在180℃固化2h后，強度明顯減小，三種固化溫度下模量變化不大。

（4）60%的纖維體積含量下，單向苧麻纖維增強環氧樹脂基復合材料的力學性能要高于平紋苧麻織物增強復合材料的力學性能，而單向玻璃纖維增強復合材料的強度高于單向苧麻纖維增強復合材料的強度，二者模量相近。

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