胡麻纖維脫膠及復合材料在醫用夾板上的研究

李宛鑫,石大為,郭 棟

(內蒙古工業大學 輕工與紡織學院,內蒙古 呼和浩特 010080)

醫用夾板是用于固定骨骼的一種外固定器,有著悠久的發展歷史,其材料種類也不斷發生變化[1-2]。從最初的木制材料到后來的石膏,再到現代使用的高分子復合材料,性能也越來越優良[3-4]。因此尋找一種經濟環保型的新型材料,天然植物纖維成為最佳選擇。胡麻作為紡織纖維材料有著強力大、穩定性好、透氣性好、抗菌性好、綠色可降解、成本低等優勢。石大為等對胡麻纖維脫膠工藝進行研究[5];方培培等對苧麻纖維復合材料醫用夾板進行研究[6]。從原料到用途綜合考慮,胡麻纖維復合材料醫用夾板是可實現、可操作的。

利用胡麻纖維分別與環氧樹脂、聚乳酸通過真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)和熱壓成型工藝,制作出纖維含量分別為10%、20%、30%,尺寸大小為50 cm×50 cm 的胡麻/環氧樹脂復合材料試樣(FER)和胡麻/聚乳酸復合材料試樣(FP),并對其進行拉伸、彎曲、壓縮3種力學性能的測試。研究有著開拓性的意義和前景,也是醫用夾板發展的必然趨勢[7-8],符合綠色紡織的理念,可用于醫用夾板,具有安全性和有效性。

1 胡麻纖維脫膠

試驗采用生物-化學聯合脫膠技術,利用果膠酶分解胡麻纖維中大部分膠質,再用化學方法去除剩余部分膠質[9-10],使胡麻單纖維達到可紡要求,從而滿足胡麻纖維復合材料醫用夾板的要求。既保留胡麻纖維的優良性能,又滿足胡麻纖維在復合材料中的使用要求而得到精干麻[11]。

1.1 材料

果膠酶、半纖維素酶、氫氧化鈉、過氧化氫、硫酸、JFC滲透劑、硅酸鈉、冰醋酸、亞硫酸氫鈉、三聚磷酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉、胡麻原纖(內蒙古自治區烏蘭察布市)。

1.2 試驗儀器

水浴鍋、酸度計、電子分析天平、纖維電子強力儀、烘箱、電子顯微鏡。

1.3 工藝流程

取樣→預水煮→生物脫膠→浸酸→水洗→打纖→堿煮→水洗→烘干→麻纖維。

先將胡麻烘干,取5 cm 長度的胡麻原纖,稱6份,重量為30 g;放入90 ℃的恒溫水浴鍋,煮60 min先將水溶性膠質除掉;浴比1∶30、溫度50 ℃條件下,加入果膠酶(40 g/L)、漆酶(10 g/L)繼續處理3 h;浸入濃度為2 g/L、浴比1∶50、溫度75 ℃、煮1.5 h;水洗6次,去除表面殘留;經過打纖,使纖維束中的纖維得到分散;加壓堿煮,氫氧化鈉8.0 g/L、三聚磷酸鈉1.5 g/L、亞硫酸氫鈉4.0 g/L,然后加入去離子水配成溶液,最后滴入JFC滲透劑0.8 g/L,在90 ℃的恒溫水浴鍋中,浴比1∶50,煮2 h;水洗6次,去除表面殘留;烘干,最終得到精干麻。

1.4 脫膠率

根據GB/T 5889—1986 測定其含水率、殘膠率,結果見表1。

表1 胡麻脫膠的含水率和殘膠率

試驗中胡麻的平均含水率為6.87%,平均殘膠率為2.90%,優化后的工藝效果顯著,為后續胡麻纖維復合材料醫用夾板做了更優越的準備。

1.5 單纖維力學性能

參照國家標準GB/T 5886—1986[11]對6 組胡麻單纖維斷裂強度及斷裂伸長率進行測定,測試胡麻纖維斷裂強度并求出平均值、方差。測得脫膠前的胡麻纖維以及脫膠后胡麻纖維的力學性能指標,見表2。

表2 胡麻纖維力學性能指標

從表2中得出,原麻纖維與精干麻纖維的基本性能存在著較大差異,原麻的單纖斷裂強力比精干麻多出約1 倍,原麻單纖的斷裂強度約是精干麻的1.40倍;原麻斷裂強度方差為0.03,精干麻斷裂強度方差為0.02。但胡麻纖維精干麻的斷裂伸長率高于原麻,達到胡麻纖維的可紡要求,這是由于原麻纖維和精干麻纖維的膠質含量不同所引起的。

1.6 纖維形態結構

胡麻脫膠的目的是為了去除胡麻纖維表面的果膠等膠質,使用場發射掃描電子鏡來觀察胡麻纖維的縱形態結構。圖1為脫膠前的胡麻纖維,表面具有很厚的一層膠質,將胡麻纖維緊密地包裹、粘連在一起致使纖維的分散性差,而且膠質的分布不均勻,存在很多毛刺。圖2為脫膠后的胡麻纖維形態,清晰地看到纖維表面比較平整光潔。纖維表面沒有了膠質的覆蓋,且后表面的溝壑也顯現出來,改善了胡麻纖維的外貌形態,提高復合材料中增強體的力學性能。

圖1 脫膠前的胡麻纖維形態

圖2 脫膠后的胡麻纖維形態

2 醫用夾板

2.1 試驗材料

胡麻精干麻纖維、No.1-692-2A 環氧樹脂、No.1-692-2B固化劑、Ingeo4032D 型聚乳酸樹脂。

2.2 試驗儀器

DSOP-02型開松機、DSCA-01型梳棉機、50 cm×50 cm 的鋼化玻璃板模具、CRVPRO6型真空泵、DGF-4AB型高溫烘箱、精密電子萬能試驗機。

2.3 工藝流程與參數

胡麻纖維網刺針密度為50針刺/cm2,針刺道數1道,針深5 mm。環氧樹脂通過VARTM 在溫度30℃、壓力20 MPa、時間3 h條件下成型,聚乳酸通過熱壓成型在溫度180℃、壓力20 MPa、時間3 h條件下成型,胡麻纖維復合材料醫用夾板工藝流程如圖3所示。

圖3 醫用夾板復合材料工藝流程

2.4 復合材料力學性能測試

拉伸性能按照GB/T 1447—2005[17]標準進行測試;彎曲性能按照GB/T 1449—2005[18]標準進行測試;壓縮性能按照GB/T 3856—2005[19]標準進行測試,為減小誤差,每組測試5個試樣,求其平均值。復合材料拉伸、彎曲、壓縮性能測試數據見表3。

表3 復合材料拉伸、彎曲、壓縮性能測試數據

2.4.1 拉伸性能

胡麻纖維復合材料拉伸強度受胡麻纖維質量分數、試驗儀器夾頭、拉伸速率、端部加固等因素的影響,胡麻纖維復合材料拉伸性能實際反應了基體和增強體2種材料的浸潤性即胡麻纖維與環氧樹脂和聚乳酸的黏結效果[20],從而反映出FER、FP的延展性。從圖4可得出,在胡麻纖維質量分數相同的條件下,FER 的拉伸強度比FP的拉伸強度分別高5.25、4.5、9.23 MPa。FER 的拉伸強度在質量分數為30%時,拉伸強度最大為34.76 MPa,此時環氧樹脂浸潤性減弱,兩者之間的黏結作用減小。由于胡麻纖維自身斷裂強度的影響,FER 的拉伸強度有所提高。FP 的拉伸強度在胡麻質量分數為20%時,最大為27.50 MPa,此時胡麻纖維分布均勻而且與聚乳酸之間的浸潤黏結最充分;隨胡麻纖維質量分數增加會導致聚乳酸對纖維的浸潤受阻,進而影響FP復合材料的拉伸性能;當胡麻纖維質量分數在20%以下時,胡麻纖維與聚乳酸黏結度較好,基體的自身性質占主要影響因素,FP拉伸強度較低[21]。

圖4 拉伸強度對比

2.4.2 彎曲性能

從圖5 可得出,隨胡麻纖維質量分數不斷增加,FER 的彎曲強度不斷增大,在纖維質量為30%時,彎曲強度最大為79.39 MPa,FP的彎曲強度隨質量分數的改變不大。原因是FER 是VARTM 成型,FP 是熱壓成型,FP在成型過程胡麻纖維有嚴重的聚集現象,基體與增強體之間的黏結能力較差,使復合材料板分層。

圖5 彎曲強度對比

2.4.3 壓縮性能

從圖6可得出,2種材料的壓縮性能差異較大。總體來說FER 的壓縮強度比FP 的壓縮強度大得多,即前者比后者的韌性大。FER 最大壓縮強度值為666.59 MPa,這是由于胡麻纖維自身結構所影響,FP最大壓縮強度值為160.33 MPa。原因在于胡麻纖維較少時聚乳酸用量較大,浸潤性好,黏結作用好[22-23];當胡麻纖維較多時,胡麻纖維密度較大,顯現纖維聚集,浸潤性變差產生分層的現象,所以胡麻/聚乳酸復合材料壓縮性能變差。

圖6 壓縮強度對比

3 結果與討論

(1)胡麻脫膠采用生物-化學聯合脫膠,提高胡麻纖維的脫膠率,改善胡麻纖維表面結構,提高可紡性。

(2)從拉伸測試結果來看,2種復合材料拉伸性能較好,但總體胡麻纖維質量分數為30%時FER 試樣的拉伸性能最好。

(3)從彎曲測試結果來看,FER 復合材料的彎曲性能優于FP復合材料的彎曲性能,30%含量的FER 試樣彎曲性能最好。

(4)從壓縮測試結果來看,FER 復合材料的壓縮性能優于FP復合材料的壓縮性能,30%含量的胡麻/環氧樹脂試樣壓縮性能最好。

從胡麻纖維增強體原材料的制備,到FER、FE 的成型,進行了3種力學測試分析,探究了胡麻纖維復合材料作為醫用夾板在力學性能方面的可行性。纖維的質量分數和不同樹脂作為變量,通過組內和組間的對比與分析,總體上得出2種不同材料制得的復合材料夾板在力學性能上都滿足醫用夾板的使用條件,2 種材料各有優勢,胡麻/環氧樹脂復合材料夾板的力學性能較優,胡麻/聚乳酸復合材料可降解且環保。試驗得出FER 的力學性能優于FP材料的力學性能,FER 在纖維的質量分數為30%時力學性能最優。