苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 展江湖王迎宵杨志浩李姣林军王桂龙管延锦 Effect of fiber content on the properties of ramie fiber reinforced poly(lactic acid)composites ZHAN Jiang-hu,WANG Ying-xiao,YANG Zhi-hao,LI Jiao,LIN Jun,WANG Gui-long.GUAN Yan-jin 引用本文： 展江湖，王迎宵，杨志浩，李姣，林军，王桂龙，管延锦.苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究.工程科学学报，2021， 43(7):952-959.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.03.02.002 ZHAN Jiang-hu,WANG Ying-xiao,YANG Zhi-hao,LI Jiao,LIN Jun,WANG Gui-long.GUAN Yan-jin.Effect of fiber content on the properties of ramie fiber reinforced poly (lactic acid)composites [J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7):952-959.doi: 10.13374-issn2095-9389.2021.03.02.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.03.02.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 石墨烯含量对石墨烯/l-15Si-4Cu-Mg复合材料微观组织和力学性能的影响 Effect of graphene content on the microstructure and mechanical properties of graphene-reinforced Al-15Si-4Cu-Mg matrix composites 工程科学学报.2019,41(9%：1162 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.007 组织形态对718塑料模具钢切削性能的影响 Machinability analysis of microstructures in pre-hardening plastic mold steel 718 工程科学学报.2020.42(10)：1343 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.06.001 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill 工程科学学报.2019,41(12：1618 https::/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.14.002 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 Experimental study and analysis of the mechanical properties of high-water-content materials modified with fly ash 工程科学学报.2018,40(10：1187htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.005 GC15轴承钢表面渗硼层生长动力学与机械性能 Kinetics and mechanical properties of borided GCr15 bearing steel 工程科学学报.2018.409%：1108 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.09.012 固溶时效工艺对6016铝合金力学性能的影响及多目标优化 Effect of solution and aging processes on the mechanical properties of 6016 aluminum alloy and multi-objective optimization 工程科学学报.2017,39(1：75 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.010

苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 展江湖 王迎宵 杨志浩 李姣 林军 王桂龙 管延锦 Effect of fiber content on the properties of ramie fiber reinforced poly (lactic acid) composites ZHAN Jiang-hu, WANG Ying-xiao, YANG Zhi-hao, LI Jiao, LIN Jun, WANG Gui-long, GUAN Yan-jin 引用本文: 展江湖, 王迎宵, 杨志浩, 李姣, 林军, 王桂龙, 管延锦. 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 952-959. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.02.002 ZHAN Jiang-hu, WANG Ying-xiao, YANG Zhi-hao, LI Jiao, LIN Jun, WANG Gui-long, GUAN Yan-jin. Effect of fiber content on the properties of ramie fiber reinforced poly (lactic acid) composites [J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 952-959. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.02.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.02.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 石墨烯含量对石墨烯/Al-15Si-4Cu-Mg复合材料微观组织和力学性能的影响 Effect of graphene content on the microstructure and mechanical properties of graphene-reinforced Al-15Si-4Cu-Mg matrix composites 工程科学学报. 2019, 41(9): 1162 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.007 组织形态对718塑料模具钢切削性能的影响 Machinability analysis of microstructures in pre-hardening plastic mold steel 718 工程科学学报. 2020, 42(10): 1343 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.06.001 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill 工程科学学报. 2019, 41(12): 1618 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.14.002 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 Experimental study and analysis of the mechanical properties of high-water-content materials modified with fly ash 工程科学学报. 2018, 40(10): 1187 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.005 GCr15轴承钢表面渗硼层生长动力学与机械性能 Kinetics and mechanical properties of borided GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2018, 40(9): 1108 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.012 固溶时效工艺对6016铝合金力学性能的影响及多目标优化 Effect of solution and aging processes on the mechanical properties of 6016 aluminum alloy and multi-objective optimization 工程科学学报. 2017, 39(1): 75 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.010

工程科学学报.第43卷.第7期：952-959.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:952-959,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.02.002;http://cje.ustb.edu.cn 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 展江湖，王迎宵，杨志浩，李姣四，林军，王桂龙，管延锦 山东大学材料科学与工程学院，济南250061 ☒通信作者，E-mai:lijiao_87@163.com 摘要通过密炼-注塑成型工艺制备了不同苎麻纤维含量的聚乳酸基复合材料，研究了纤维含量对复合材料性能的影响规 律，并揭示了纤维增强机理.研究表明，芒麻纤维的添加提高了复合材料的耐热性能，尤其是当纤维质量分数为40%时，复合 材料的热变形温度提高了10.5%.此外，苎麻纤维均匀地分散在基体中，由于纤维与聚乳酸的界面强度较弱，断面上有大量的 纤维拔出和纤维孔洞：差示扫描量热仪测试表明高含量的纤维限制了聚乳酸分子链的运动，促进复合材料形成更加致密完善 的晶核：同时，流变行为也表明苎麻纤维含量的增加有助于提高复合材料的黏弹响应和复合黏度：最后，苎麻纤维的加入提高 了复合材料的拉伸和弯曲强度.且随纤维含量的增加而增大.与聚乳酸相比，当纤维质量分数为40%时复合材料的拉伸和弯 曲强度分别提高了30%和21.9% 关键词苎麻纤维：力学性能：纤维增强：微观结构：流变行为 分类号TG142.71 Effect of fiber content on the properties of ramie fiber reinforced poly (lactic acid) composites ZHAN Jiang-hu,WANG Ying-xiao,YANG Zhi-hao,LI Jiao.LIN Jun,WANG Gui-long.GUAN Yan-jin School of Material Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China Corresponding author,E-mail:lijiao_87@163.com ABSTRACT Natural fiber,as an alternative to synthetic fiber,is of great potential to reinforce composites that are applied in engineering fields such as automotive aerospace,automotive,sports,packaging,medical,and construction due to their renewability, environmental friendliness,high specific strength,and modulus.To realize this potential,ramie fiber reinforced poly (lactic acid)(PLA) composites with different fiber loadings were fabricated by injection molding.The heat deformation temperature,microstructure, crystallization behavior,rheological behavior,and mechanical properties of the composites were also analyzed.Results indicated that the heat resistance of the composites was improved with increased fiber loading.Particularly,the heat deformation temperature of the composites was improved by 10.5%when fiber with mass fraction of 40%was blended into the matrix.In addition,there were numerous fiber pull-outs and holes in the fractured surface due to poor interfacial adhesion between the fibers and PLA.Meanwhile,ramie fibers were uniformly distributed in the matrix when incorporating a low fiber content,but fiber agglomerations occurred in the matrix when introducing a high fiber loading (mass fraction of 40%)because of the poor wettability between the fibers and PLA.Differential scanning calorimetry (DSC)showed that the high fiber loading in the composites restricted the movement of the PLA molecular chain and promoted the formation of the perfect crystal.At the same time,samples with a high content of fiber contributed to the enhancement of the storage modulus,loss modulus,and complex viscosity of the composites due to the fibers'physical joint in the matrix.Finally,the tensile and flexural strengths of the composites were improved with increased fiber loading.However,when the mass fraction of loading 收稿日期：2021-03-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(52005299)：波音-商飞联合资助项目(2019-GT-169)

苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 展江湖，王迎宵，杨志浩，李    姣苣，林    军，王桂龙，管延锦 山东大学材料科学与工程学院，济南 250061 苣通信作者，E-mail: lijiao_87@163.com 摘    要    通过密炼−注塑成型工艺制备了不同苎麻纤维含量的聚乳酸基复合材料，研究了纤维含量对复合材料性能的影响规 律，并揭示了纤维增强机理. 研究表明，苎麻纤维的添加提高了复合材料的耐热性能，尤其是当纤维质量分数为 40% 时，复合 材料的热变形温度提高了 10.5%. 此外，苎麻纤维均匀地分散在基体中，由于纤维与聚乳酸的界面强度较弱，断面上有大量的 纤维拔出和纤维孔洞；差示扫描量热仪测试表明高含量的纤维限制了聚乳酸分子链的运动，促进复合材料形成更加致密完善 的晶核；同时，流变行为也表明苎麻纤维含量的增加有助于提高复合材料的黏弹响应和复合黏度；最后，苎麻纤维的加入提高 了复合材料的拉伸和弯曲强度，且随纤维含量的增加而增大. 与聚乳酸相比，当纤维质量分数为 40% 时复合材料的拉伸和弯 曲强度分别提高了 30% 和 21.9%. 关键词    苎麻纤维；力学性能；纤维增强；微观结构；流变行为 分类号    TG142.71 Effect  of  fiber  content  on  the  properties  of  ramie  fiber  reinforced  poly  (lactic  acid) composites ZHAN Jiang-hu，WANG Ying-xiao，YANG Zhi-hao，LI Jiao苣 ，LIN Jun，WANG Gui-long，GUAN Yan-jin School of Material Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China 苣 Corresponding author, E-mail: lijiao_87@163.com ABSTRACT    Natural  fiber,  as  an  alternative  to  synthetic  fiber,  is  of  great  potential  to  reinforce  composites  that  are  applied  in engineering  fields  such  as  automotive  aerospace,  automotive,  sports,  packaging,  medical,  and  construction  due  to  their  renewability, environmental friendliness, high specific strength, and modulus. To realize this potential, ramie fiber reinforced poly (lactic acid) (PLA) composites  with  different  fiber  loadings  were  fabricated  by  injection  molding.  The  heat  deformation  temperature,  microstructure, crystallization behavior, rheological behavior, and mechanical properties of the composites were also analyzed. Results indicated that the heat  resistance  of  the  composites  was  improved  with  increased  fiber  loading.  Particularly,  the  heat  deformation  temperature  of  the composites was improved by 10.5% when fiber with mass fraction of 40% was blended into the matrix. In addition, there were numerous fiber pull-outs and holes in the fractured surface due to poor interfacial adhesion between the fibers and PLA. Meanwhile, ramie fibers were uniformly distributed in the matrix when incorporating a low fiber content, but fiber agglomerations occurred in the matrix when introducing  a  high  fiber  loading  (mass  fraction  of  40%)  because  of  the  poor  wettability  between  the  fibers  and  PLA.  Differential scanning calorimetry (DSC) showed that the high fiber loading in the composites restricted the movement of the PLA molecular chain and promoted the formation of the perfect crystal. At the same time, samples with a high content of fiber contributed to the enhancement of the storage modulus, loss modulus, and complex viscosity of the composites due to the fibers’ physical joint in the matrix. Finally, the tensile and flexural strengths of the composites were improved with increased fiber loading. However, when the mass fraction of loading 收稿日期: 2021−03−02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52005299）；波音−商飞联合资助项目（2019-GT-169） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：952−959，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 952−959, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.02.002; http://cje.ustb.edu.cn

展江湖等：苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 953· fiber was greater than 30%,the increase of tensile and flexural strengths of the composites was slow due to the weak wettability of the PLA matrix to the fiber.Compared to PLA,the incorporation of fiber with mass fraction of 40%increased the tensile and bending strengths of the composites by 30%and 21.9%,respectively KEY WORDS ramie fiber;mechanical properties:fiber strengthening:microstructure:rheological behavior 近年来，由于人类对环境和可持续发展的广 麻、大麻、黄麻等植物纤维相比，苎麻纤维具有较 泛关注，生物基材料在生活和工程领域得到了大 高的拉伸强度、杨氏模量、比强度和比模量，其密 量的应用.由于人造纤维来自于不可再生资源，具 度、断裂伸长率、拉伸强度和杨氏模量分别为 有难降解和成本高等缺点山相比之下，植物纤维 1.5gcm-3、1.2%~3.8%、400~938MPa和61.4- 具有较高的比强度和比模量、低成本、可再生、可 128GPa.因此，本文将采用苎麻纤维作为增强相. 降解以及环境友好等优点，已经成为人造纤维的 通过密炼-注塑成型工艺来制备聚乳酸基复合材 理想替代品) 料，研究纤维含量对复合材料力学性能、微观结 此外，聚乳酸(PLA)凭借其可再生、可降解、 构、结晶行为、流变行和热变形温度的影响，最终 优异的物理和力学性能等优势在众多的生物基聚 揭示了纤维增强机理 合物中脱颖而出).PLA主要来源于植物中的淀 1实验 粉，如土豆、马铃薯和玉米等，且在包装材料、纤 维生产等常规消费领域得到了广泛应用.将高强 1.1实验材料 度和高模量的植物纤维加入聚乳酸来制备生物基 本次实验使用的树脂基体为浙江海正生物材 复合材料已经成为近年来发展的趋势，且植物纤 料股份有限公司生产的PLA,型号为REVODE 维增强聚乳酸复合材料在汽车、航空航天、医疗、 213T,注塑级.植物纤维采用湖南华升洞庭麻业有 包装和运动等机械工程领域得到了广泛关注)预 限公司提供的全脱胶漂白苎麻纤维，纺织级，直径 计到2024年，全球植物纤维复合材料市场将达到 为10~30um. 108.9亿美元，年增长率为11.8%向，这意味着植物 12复合材料的制备 纤维复合材料具有广阔的应用前景. 将苎麻纤维(RF)剪切成长度为4~6mm的短 植物纤维在基体中合理的取向以及均匀的分 切纤维，在加工前将RF和PLA在80C下干燥6h 布能极大地提高复合材料的力学性能，但通过手 用ZJL-300转矩流变仪密炼模块将PLA树脂、短 工单一的纤维取向排列极大地降低了制品的生产 切苎麻纤维按照一定的比例熔融共混制备复合材 效率7.Debeli等通过模压成型制备了单一取向 料.密炼机密炼温度为190℃，转子转速为50rmin, 的苎麻纤维增强聚乳酸复合材料，发现，低含量纤 密炼时间为8min.将密炼完的复合材料取出，趁 维的加入有利于复合材料拉伸和弯曲强度的提 热剪切成块状，最后在桌面式双螺杆注塑机中注 高.但当纤维质量分数大于30%时，由于PLA对 塑成符合标准的测试样条.其中，注塑温度、注塑 纤维的浸润性变差，导致复合材料的拉伸和弯曲 时间和保压时间分别为215C、3s和15s.为便于 强度出现下降趋势.此外，Hao等9研究了苎麻纤 总结归纳，用“PLA/nRF”表示苎麻纤维质量分数 维的添加对PLA基复合材料力学性能的影响，发 为n%的复合材料 现剑麻纤维的添加并不利于复合材料力学性能的 2测试表征方法 提升.与PLA相比，当纤维质量分数为30%时复 合材料的拉伸强度降低了30.6%.最后，Wang等uo 2.1热变形温度（HDT)测试 研究了竹纤维体积分数(30%、40%和50%)对 按照GB/T1634一2004标准，采用热变形维卡 PLA复合材料力学性能的影响.结果显示，由于竹 软化点试验机(ZWK1302-A,China)测试复合材料 纤维在PLA基体中分散性差，与纤维体积分数为 的热变形温度，试样尺寸为80mm×l0mm×4mm, 30%的复合材料相比，当竹纤维体积分数为40% 每组实验测试3个试样求其平均值，其测试参数 时拉伸强度略微增加，但添加体积分数为50%的 设置如表1所示. 纤维降低了复合材料的拉伸强度 2.2扫描电子显微镜(SEM)表征 苎麻是中国种植最为广泛的麻类之一，与亚 利用扫描电子显微镜(EM-3 OPLUS,COXEM)

fiber was greater than 30%, the increase of tensile and flexural strengths of the composites was slow due to the weak wettability of the PLA  matrix  to  the  fiber.  Compared  to  PLA,  the  incorporation  of  fiber  with  mass  fraction  of  40% increased  the  tensile  and  bending strengths of the composites by 30% and 21.9%, respectively. KEY WORDS    ramie fiber；mechanical properties；fiber strengthening；microstructure；rheological behavior 近年来，由于人类对环境和可持续发展的广 泛关注，生物基材料在生活和工程领域得到了大 量的应用. 由于人造纤维来自于不可再生资源，具 有难降解和成本高等缺点[1] . 相比之下，植物纤维 具有较高的比强度和比模量、低成本、可再生、可 降解以及环境友好等优点，已经成为人造纤维的 理想替代品[2] . 此外，聚乳酸（PLA）凭借其可再生、可降解、 优异的物理和力学性能等优势在众多的生物基聚 合物中脱颖而出[3] . PLA 主要来源于植物中的淀 粉，如土豆、马铃薯和玉米等[4] ，且在包装材料、纤 维生产等常规消费领域得到了广泛应用. 将高强 度和高模量的植物纤维加入聚乳酸来制备生物基 复合材料已经成为近年来发展的趋势，且植物纤 维增强聚乳酸复合材料在汽车、航空航天、医疗、 包装和运动等机械工程领域得到了广泛关注[5] . 预 计到 2024 年，全球植物纤维复合材料市场将达到 108.9 亿美元，年增长率为 11.8% [6] ，这意味着植物 纤维复合材料具有广阔的应用前景. 植物纤维在基体中合理的取向以及均匀的分 布能极大地提高复合材料的力学性能，但通过手 工单一的纤维取向排列极大地降低了制品的生产 效率[7] . Debeli 等[8] 通过模压成型制备了单一取向 的苎麻纤维增强聚乳酸复合材料，发现，低含量纤 维的加入有利于复合材料拉伸和弯曲强度的提 高. 但当纤维质量分数大于 30% 时，由于 PLA 对 纤维的浸润性变差，导致复合材料的拉伸和弯曲 强度出现下降趋势. 此外，Hao 等[9] 研究了苎麻纤 维的添加对 PLA 基复合材料力学性能的影响，发 现剑麻纤维的添加并不利于复合材料力学性能的 提升. 与 PLA 相比，当纤维质量分数为 30% 时复 合材料的拉伸强度降低了 30.6%. 最后，Wang 等[10] 研究了竹纤维体积分数 （ 30%、 40% 和 50%） 对 PLA 复合材料力学性能的影响. 结果显示，由于竹 纤维在 PLA 基体中分散性差，与纤维体积分数为 30% 的复合材料相比，当竹纤维体积分数为 40% 时拉伸强度略微增加，但添加体积分数为 50% 的 纤维降低了复合材料的拉伸强度. 苎麻是中国种植最为广泛的麻类之一，与亚 麻、大麻、黄麻等植物纤维相比，苎麻纤维具有较 高的拉伸强度、杨氏模量、比强度和比模量，其密 度、断裂伸长率、拉伸强度和杨氏模量分别为 1.5  g·cm−3、 1.2%～ 3.8%、 400～ 938  MPa 和 61.4～ 128 GPa. 因此，本文将采用苎麻纤维作为增强相， 通过密炼−注塑成型工艺来制备聚乳酸基复合材 料，研究纤维含量对复合材料力学性能、微观结 构、结晶行为、流变行和热变形温度的影响，最终 揭示了纤维增强机理. 1    实验 1.1    实验材料 本次实验使用的树脂基体为浙江海正生物材 料股份有限公司生产 的 PLA，型号 为 REVODE 213T，注塑级. 植物纤维采用湖南华升洞庭麻业有 限公司提供的全脱胶漂白苎麻纤维，纺织级，直径 为 10～30 μm. 1.2    复合材料的制备 将苎麻纤维（RF）剪切成长度为 4～6 mm 的短 切纤维，在加工前将 RF 和 PLA 在 80 °C 下干燥 6 h. 用 ZJL−300 转矩流变仪密炼模块将 PLA 树脂、短 切苎麻纤维按照一定的比例熔融共混制备复合材 料. 密炼机密炼温度为 190 °C，转子转速为 50 r·min−1 ， 密炼时间为 8 min. 将密炼完的复合材料取出，趁 热剪切成块状，最后在桌面式双螺杆注塑机中注 塑成符合标准的测试样条. 其中，注塑温度、注塑 时间和保压时间分别为 215 °C、3 s 和 15 s. 为便于 总结归纳，用“PLA/nRF”表示苎麻纤维质量分数 为 n% 的复合材料. 2    测试表征方法 2.1    热变形温度（HDT）测试 按照 GB/T 1634—2004 标准，采用热变形维卡 软化点试验机（ZWK1302−A，China）测试复合材料 的热变形温度，试样尺寸为 80 mm×10 mm×4 mm， 每组实验测试 3 个试样求其平均值，其测试参数 设置如表 1 所示. 2.2    扫描电子显微镜（SEM）表征 利用扫描电子显微镜 (EM−30PLUS, COXEM) 展江湖等： 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 · 953 ·

954 工程科学学报，第43卷，第7期 表1热变形温度测试参数 Table 1 Test parameters of the heat deflection temperature Onset temperature/℃ Heating rate/(℃h-l) Applied loading/kg Flexural stress/MPa Span/mm Flexural deflection/mm 27 120 0.201 1.8 64 0.34 对PLA及其复合材料拉伸断口进行了成像，成像 3实验结果与分析 前对其进行喷金处理，加速电压设为10kV 2.3差示扫描量热（DSC)测试 3.1扫描电镜形貌分析 采用差示扫面量热仪对PLA及其复合材料进 PLA及其复合材料拉伸断口形貌如图1所 示，从左至右的放大倍率分别为500倍，1000倍和 行热分析，以10℃min的升温速率将5~10mg 的试样从30℃加热到200℃保温5min以消除热 2000倍. 历史，再以20℃min速率降温到30℃，停留5min PLA的拉伸断口上具有较多的孔隙，且部分 后再二次升温到200℃，升温速率为10℃min 基体被拉长，表明PLA具有较好的拉伸韧性.从 另外，试样的结晶度()可用公式(1)来计算： 图1(b)~()中可以看出，本实验所采取的熔融共 △Hm 混方法能够将苎麻纤维均匀地分布在PLA基体 Xe=△H1o0%×(I-wRF） ×100% (1) 中.然而复合材料拉伸断面上大量的纤维脱粘，直 其中，△Hm表示PLA和PLA/RF复合材料的熔融 接从树脂基体中拔出形成孔洞且拨出的纤维表面 焓，△H1o0%是理论100%结晶PLA的熔融焓，wRr 无基体附着，这一现象反映了PLA和苎麻纤维较 代表苎麻纤维的质量分数.根据以前的报道山，完 差的界面性能2 全结晶PLA的熔融焓是93.7Jg 3.2差示扫描量热测试分析 2.4流变行为测试 通过DSC来测试PLA及其复合材料的热性 采用旋转流变仪(MARS-40.HAAKE)对PLA 能，其二次升温和一次降温曲线如图2所示.熔融 及其复合材料进行流行测试表征，采用直径为20mm 温度(Tm)、熔融焓（△Hm)、放热冷结晶温度(Tm) 的圆形平板测量夹具，平板间距为1mm,小应变 以及结晶度(X)如表2所示 动态频率扫描范围为0.628~628rads,应变幅度 从图2(a)可知，PLA及其复合材料均呈现双 为1%，测试温度为190℃ 熔融峰，低温区熔融峰的出现是由于复合材料内 2.5力学性能测试 部存在完善程度较低的结晶区域3当苎麻纤 2.5.1拉伸性能测试 维质量分数较低(10%)时，低温区熔融峰的强度略 按照GB/T1040.1一2006标准，在HDW-2000型 微增加，且熔点(T2)有所降低，这主要归因于低 微机控制橡胶拉伸试验机上进行拉伸强度测试 含量的纤维促进复合材料不完善晶体的形成.当 测试样条尺寸为75mm×10mm×2mm,拉伸速率设 苎麻纤维质量分数大于10%时，复合材料的低温 定为10 mm:min,每种材料测试五个试样，求其平 区熔融温度(Tm!)和熔点温度逐渐升高，表明高 均值. 含量的苎麻纤维有助于促进形成完善程度较高的 2.5.2弯曲性能测试 晶核.但是纤维的加入会降低复合材料的结晶度， 按照GB/T9341一2008标准，在HDW-2000型 这主要是由于苎麻纤维的添加起到异相成核作 微机控制橡胶拉伸试验机上采用三点弯曲测试模 用5-，但限制了晶核的长大，最终降低了复合材 式测得弯曲性能，测试跨距为64mm,测试速率设 料的结晶度 定2 mm:min.弯曲试样尺寸为80mm×10mm× 从图2(b)可看出，低质量分数的纤维(10%)促 4mm,每种材料测试5个试样，求其平均值 进不完善晶体的形成，因此在降温结晶时，结晶不 2.53冲击性能测试 完善的区域优先结晶，促进复合材料的放热冷结 按照GB/T1843一2008标准注塑样条，样条 晶峰向高温方向移动.随着纤维含量的增加，复合 长度为80mm、宽度为10mm、厚度为4mm,V型 材料的放热冷结晶峰逐渐向低温方向移动，表明 缺口，深1.1mm,缺口弧度为45°，然后在XJU-5.5 高含量苎麻纤维的添加限制了PLA分子链的移 型悬臂梁冲击试验机进行悬臂梁冲击试验，每种材 动，降低了分子链的规律性，进而限制了复合材料 料测试5个样条，求其平均值表示材料的冲击强度 结晶7

对 PLA 及其复合材料拉伸断口进行了成像，成像 前对其进行喷金处理，加速电压设为 10 kV. 2.3    差示扫描量热（DSC）测试 采用差示扫面量热仪对 PLA 及其复合材料进 行热分析，以 10 ℃·min−1 的升温速率将 5～10 mg 的试样从 30 ℃ 加热到 200 ℃ 保温 5 min 以消除热 历史，再以 20 ℃·min−1 速率降温到 30 ℃，停留 5 min 后再二次升温到 200 ℃，升温速率为 10 ℃·min−1 . 另外，试样的结晶度（χc）可用公式（1）来计算： χc = ∆Hm ∆H100% ×(1−wRF) ×100% （1） 其中，ΔHm 表示 PLA 和 PLA/RF 复合材料的熔融 焓 ，ΔH100% 是理论 100% 结晶 PLA 的熔融焓，wRF 代表苎麻纤维的质量分数. 根据以前的报道[11] ，完 全结晶 PLA 的熔融焓是 93.7 J·g−1 . 2.4    流变行为测试 采用旋转流变仪（MARS−40，HAAKE）对 PLA 及其复合材料进行流行测试表征，采用直径为 20 mm 的圆形平板测量夹具，平板间距为 1 mm，小应变 动态频率扫描范围为 0.628～628 rad·s−1，应变幅度 为 1%，测试温度为 190 ℃. 2.5    力学性能测试 2.5.1    拉伸性能测试 按照GB/T 1040.1—2006 标准，在HDW−2000 型 微机控制橡胶拉伸试验机上进行拉伸强度测试. 测试样条尺寸为 75 mm×10 mm×2 mm，拉伸速率设 定为 10 mm·min−1，每种材料测试五个试样，求其平 均值. 2.5.2    弯曲性能测试 按照 GB/T 9341—2008 标准，在 HDW−2000 型 微机控制橡胶拉伸试验机上采用三点弯曲测试模 式测得弯曲性能，测试跨距为 64 mm，测试速率设 定 2 mm·min−1 . 弯曲试样尺寸为 80 mm×10 mm× 4 mm, 每种材料测试 5 个试样，求其平均值. 2.5.3    冲击性能测试 按照 GB/T 1843—2008 标准注塑样条，样条 长度为 80 mm、宽度为 10 mm、厚度为 4 mm，V 型 缺口，深 1.1 mm，缺口弧度为 45°，然后在 XJU−5.5 型悬臂梁冲击试验机进行悬臂梁冲击试验，每种材 料测试 5 个样条，求其平均值表示材料的冲击强度. 3    实验结果与分析 3.1    扫描电镜形貌分析 PLA 及其复合材料拉伸断口形貌如图 1 所 示，从左至右的放大倍率分别为 500 倍，1000 倍和 2000 倍. PLA 的拉伸断口上具有较多的孔隙，且部分 基体被拉长，表明 PLA 具有较好的拉伸韧性. 从 图 1（b）～（e）中可以看出，本实验所采取的熔融共 混方法能够将苎麻纤维均匀地分布在 PLA 基体 中. 然而复合材料拉伸断面上大量的纤维脱粘，直 接从树脂基体中拔出形成孔洞且拨出的纤维表面 无基体附着，这一现象反映了 PLA 和苎麻纤维较 差的界面性能[12] . 3.2    差示扫描量热测试分析 通过 DSC 来测试 PLA 及其复合材料的热性 能，其二次升温和一次降温曲线如图 2 所示. 熔融 温度（Tm）、熔融焓（ΔHm）、放热冷结晶温度（Tmc） 以及结晶度（χc）如表 2 所示. 从图 2（a）可知，PLA 及其复合材料均呈现双 熔融峰，低温区熔融峰的出现是由于复合材料内 部存在完善程度较低的结晶区域[13−14] . 当苎麻纤 维质量分数较低（10%）时，低温区熔融峰的强度略 微增加，且熔点（Tm2）有所降低，这主要归因于低 含量的纤维促进复合材料不完善晶体的形成. 当 苎麻纤维质量分数大于 10% 时，复合材料的低温 区熔融温度（Tm1）和熔点温度逐渐升高，表明高 含量的苎麻纤维有助于促进形成完善程度较高的 晶核. 但是纤维的加入会降低复合材料的结晶度， 这主要是由于苎麻纤维的添加起到异相成核作 用[15−16] ，但限制了晶核的长大，最终降低了复合材 料的结晶度. 从图 2（b）可看出，低质量分数的纤维（10%）促 进不完善晶体的形成，因此在降温结晶时，结晶不 完善的区域优先结晶，促进复合材料的放热冷结 晶峰向高温方向移动. 随着纤维含量的增加，复合 材料的放热冷结晶峰逐渐向低温方向移动，表明 高含量苎麻纤维的添加限制了 PLA 分子链的移 动，降低了分子链的规律性，进而限制了复合材料 结晶[17] . 表 1 热变形温度测试参数 Table 1 Test parameters of the heat deflection temperature Onset temperature/℃ Heating rate/（℃·h−1） Applied loading/kg Flexural stress/MPa Span/mm Flexural deflection/mm 27 120 0.201 1.8 64 0.34 · 954 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

展江湖等：苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 955· (a 100μm 50 um 20 um 100m 50μm 204m (c) 100m 50m (d) 100μm 50m 204m (e) 100m 50m 20μm 图1复合材料拉伸断口形貌图.(a)PLA:(b)PLAW1ORF:(c)PLAW20RF:(d)PLAW30RF:(d)PLAW4ORF Fig.1 Fractured morphologies of:(a)PLA:(b)PLA/10RF:(c)PLA/20RF:(d)PLA/30RF:(e)PLA/40RF (a) (b) PLA/40RF PLA/40RF PLA/30RF ()/MoU PLA/30RF PLA/20RF PLA/20RF PLA/10RF 100H PLA/10RF PLA PLA 100 120 140160 180 200 60 80 100120 140160 Temperature/C Temperature/℃ 图2PLA及其复合材料的DSC曲线.(a)二次升温：(b)一次降温 Fig.2 DSC curves of PLA and its composites:(a)second heating;(b)first cooling 3.3流变测试分析 苎麻纤维的加入提高了PLA的储存模量和损 通过旋转流变仪采用小振幅动态频率扫描， 耗模量，且随着纤维含量的增加而逐渐增大，尤其 来测试苎麻纤维含量对复合材料的储存模量、损 在低频区域储存模量和损耗模量的增幅更加显 耗模量和复合黏度的影响，其结果如图3所示 著表明苎麻纤维在基体中充当物理交联点，限制

3.3    流变测试分析 通过旋转流变仪采用小振幅动态频率扫描， 来测试苎麻纤维含量对复合材料的储存模量、损 耗模量和复合黏度的影响，其结果如图 3 所示. 苎麻纤维的加入提高了 PLA 的储存模量和损 耗模量，且随着纤维含量的增加而逐渐增大，尤其 在低频区域储存模量和损耗模量的增幅更加显 著. 表明苎麻纤维在基体中充当物理交联点，限制 (a) (b) (c) (d) (e) 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 50 μm 50 μm 50 μm 100 μm 50 μm 50 μm 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm 图 1    复合材料拉伸断口形貌图. （a）PLA；（b）PLA/10RF；（c）PLA/20RF；（d）PLA/30RF；（d）PLA/40RF Fig.1    Fractured morphologies of: (a) PLA; (b) PLA/10RF; (c) PLA/20RF; (d) PLA/30RF; (e) PLA/40RF Exo Heat flow/(W·g−1 ) Exo Heat flow/(W·g−1 ) (a) (b) PLA/40RF PLA/30RF PLA/20RF PLA/10RF PLA PLA/40RF PLA/30RF PLA/20RF PLA/10RF PLA 100 120 140 160 Temperature/℃ 60 120 140 160 80 100 Temperature/℃ 180 200 图 2    PLA 及其复合材料的 DSC 曲线. （a）二次升温；（b）一次降温 Fig.2    DSC curves of PLA and its composites: (a) second heating; (b) first cooling 展江湖等： 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 · 955 ·