劍麻纖維及其復合材料研究

摘要：隨著我國在材料科學方面研究的進步，對于纖維增強復合材料的研究也有了非常大的進步，劍麻纖維作為一種纖維復合增強材料，目前在紡織、軍工、日常生活用品制造等領域都有非常廣泛的應用，并且隨著更多劍麻纖維復合材料的研究使其具有了更加廣闊的應用前景。本文對劍麻纖維的成分和性能進行了簡單介紹，分析了劍麻纖維的表面處理方法以及一些典型的復合材料的性能。

關鍵詞：劍麻纖維；復合材料；表面處理；性能

在軍事工業和民用工業快速發展的同時，一些傳統的材料往往不能滿足多性能的產品要求。許多科學家發現了天然纖維材料的利用價值，逐漸在該領域展開研究，并研究了更多的纖維增強復合材料以進一步滿足工業生產應用需求。劍麻纖維就是一種從劍麻植物中提取出的纖維材料，具有高強度、無污染、易加工、價格低廉等優點，因此被廣泛應用在了軍事和民用的多種工業制造中，成為了目前應用最廣泛的纖維增強復合材料之一，產生了許多衍生的復合材料。劍麻纖維及其復合材料成分復雜，性能各有不同，必須進行深入研究，才能更好地把握劍麻纖維及其復合材料的特性。

1.劍麻纖維的成分及性能

1.1組成成分

劍麻纖維材料產生自劍麻植物的葉片，主要的化學成分有纖維素、木質素、半纖維素三種，其次也含有一定的果膠、水溶物等成分。一般的劍麻纖維通常包含了50%到65%的纖維素、12%到20%的半纖維素、8%到10%的木質素，5%左右的其他成分。纖維素、木質素是影響劍麻纖維性能的主要成分，經過研究數據表明，劍麻纖維中的纖維素含量越大，其彈性模量就越大；而如果劍麻纖維木質素含量越大，則木質化程度會增加，質地較硬，如果木質素含量較少，就會使纖維顯得更加柔韌、富有彈性并且有較好的色澤度；此外，果膠的含量也對劍麻纖維的硬度和強度有一定的影響。從劍麻纖維的平均成分含量來看，木質素含量相較于一般纖維類型較高，因此劍麻纖維普遍質地較硬。

1.2性能分析

劍麻纖維的性能主要包括了物理性能和化學性能兩個方面，這兩個方面的性質與劍麻纖維的成分組成以及結構都有一定的關系。在植物纖維的結構中，纖維長度是一項非常重要的指標，對纖維的性能有重要影響。劍麻纖維的平均長度較長，一般以50到110厘米的纖維居多，纖維長度較為均勻，但是支數比較低并且長徑比比較小，是一種高強度低伸長度、粗硬型的纖維。因此，結合劍麻纖維的組成部分和纖維結構來看，劍麻纖維在物理性質方面強度較大、彈性好但是伸長小、纖維質地較硬，纖維彈性較差，變形后不容易恢復；在化學性質方面，劍麻纖維容易與酸、堿進行反應，能夠進行一定程度的表面處理以改善纖維的性質，使其更適合于進行加工。

2.劍麻纖維的復合材料研究

2.1劍麻纖維的表面處理方法

通過對劍麻纖維的性能研究可以發現，劍麻纖維本身雖然具有一定的加工優勢，但是單純的劍麻纖維材料加工出的產品強度大，但是伸縮性小、變形后不易恢復，質地剛硬，因此在一些領域，單純的劍麻纖維的產品并不能完全達到產品要求，必須要對劍麻纖維進行處理以制造出復合材料。在制造劍麻纖維的復合材料過程中，第一步就是要對其進行表面處理。這是因為復合材料的性能取決于組成成分的性能以及組分間的界面相容性，如果能夠通過表面處理改善劍麻纖維的表面特征，就能夠提高劍麻纖維成分與試劑之間的反應程度，從而改善劍麻纖維與其他聚合物的相容度，有效提高劍麻纖維的復合材料性能。

對劍麻纖維進行表面處理的方法主要有物理方法和化學方法兩種。物理方法主要是進行熱處理、改變界面張力、界面偶合等方式，而化學處理則主要包括了使用酸堿溶液處理、有機溶劑處理等方式。一般在處理時不會單獨地使用物理或者化學方法，都會根據想要改善的方向選擇合理的化學和物理組合方式。例如，容敏智等研究者曾經使用熱處理加上堿、硅烷偶聯劑、乙酰化、氰乙基化等化學處理的方式對劍麻纖維表面進行加工，實驗表面，這些處理方法基本都可以改變纖維和基體的界面，可以影響纖維本身的結構；堿處理可以顯著改善材料的各項力學性能；其他試劑處理后可以改善纖維的粘連性，但是對于劍麻纖維的拉伸性能沒有顯著改善。此后，周興平等人運用了接枝聚合的方式對劍麻纖維進行處理，實驗證明，這種方式能夠有效地改善劍麻纖維與其他材料的相容性，能夠降低與基體界面之間的張力，在改善性能的效果上比堿處理更好。從各種處理實驗可以看出，對劍麻纖維進行處理時使用的方法或者試劑不同，處理的效果也會不同，主要的改善方向都會有一些差異。因此，在進行劍麻纖維表面處理時，必須根據對復合材料的性質要求合理選擇表面處理方式和試劑，并合理控制各種反應條件，以便獲得理想的處理結果，提高復合材料的性能。

2.2劍麻纖維復合材料的性能研究

劍麻纖維的復合材料種類豐富并且類型繁多，一般的分類標準可以根據纖維的狀態進行分類，或者按照基質類型的不同分類，不同的復合材料具有不同的性能。

2.2.1不同纖維形態的劍麻纖維復合材料性能

纖維形態是影響纖維材料結構的重要因素，其中，纖維長度是纖維形態的主要指標之一。在劍麻纖維復合材料種類中，根據纖維的長度可以分為長纖維、短纖維、混雜纖維三種復合材料。長纖維劍麻纖維復合材料中纖維的含量增大，會降低材料的粘連性和流動性，使得材料性能下降，因此在關于長纖維方向的劍麻纖維復合材料研究較少，但是也有劉原等學者研究了具有長纖維特點的單向連續劍麻纖維增強環氧樹脂（EP）復合材料，使得復合材料的斷裂性能有明顯改善，但是仍然存在粘連性較差等問題，性能總體來說仍然有所下降。

短纖維劍麻纖維復合材料則很好地克服了長纖維復合材料中的一些缺點，劉婷等學者研究了短纖維劍麻纖維增強PP復合材料的力學性能，發現這種材料的強度較好、彈性模量較大；梁小波等學者采用短切劍麻纖維增強PP基進行研究，發現這種復合材料具有更好的裂紋擴展功能。總體來說，短纖維復合材料性能改善較好，但是在加工時也容易受到纖維的排列方向、加工工藝等因素的影響。

混雜纖維劍麻纖維復合材料則具有更加綜合的優點，主要的混雜方向是劍麻纖維與玻璃纖維、劍麻纖維與晶須的混雜，一般來說，經過混雜后的復合材料在彎曲和沖擊強度、彈性、熱穩定性等方面都具有較好的性能改善，是一種比較有效的復合方式。

2.2.2不同基質的劍麻纖維復合材料性能

按照基質的類型不同，可以將劍麻纖維的復合材料分為熱固性樹脂基復合材料、熱塑性樹脂基復合材料以及橡膠或彈性體復合材料三種類型。熱固性樹脂基復合材料主要是用熱固性的樹脂材料例如PF、EP、不飽和聚酯（UP）等作為基質，一般可以使復合材料具有更好的粘連性和力學性質，但是性能改善程度不是特別大；熱塑性樹脂基復合材料則主要是強度和拉伸度上的改善；橡膠或彈性體復合材料則主要是對材料的拉伸性、收縮性方面的改善，幾種材料都有一定程度上的性能改善特點。

3.結束語

劍麻纖維及其復合材料具有較好的性能，在軍事以及民用工業等領域應用非常廣泛，具有較好的研究發展前景。通過對劍麻材料及其復合材料性質的研究，更有利于對劍麻纖維復合材料的進一步發展，使其具有更廣闊的應用空間。

參考文獻

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[2] 章毅鵬，廖建和，桂紅星等.劍麻纖維及其復合材料的研究進展[J].熱帶農業科學，2007， 27（5）：53-57，63.

作者簡介：

羅理銘（1967-），男，廣西玉林人，本科，工程師，研究方向：工業企業管理方向。