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 ·

956 工程科学学报，第43卷，第7期 表2PLA及其复合材料的热性能 复合材料的复合黏度急剧下降，表现出剪切变稀 Table 2 Thermal parameters of PLA and its composites 行为.当苎麻纤维质量分数为20%时，复合材料的 Second heating First cooling Crystallinity 复合黏度呈现三段变化趋势，先从幂律流体转变 Samples 为牛顿流体，最后再转变为幂律流体.因此，从整 TCTC△HJJg) TC 太1% 个频率范围内来看，高纤维含量的复合材料分子 PLA 169.2176.4 46.96 108.4 50.11 PLA/10RF168.8175.9 37.35 109.7 44.29 链缠结更严重，表现出复合材料黏度下降 PLA20RF170.2177.0 29.84 107.6 39.81 3.4热变形温度分析 PLAW30RF170.7178.5 26.67 105.5 40.66 热变形温度反应复合材料在高温下应用时的 PLA/40RF170.9178.7 23.82 104.5 42.37 极限温度，PLA及其复合材料的热变形温度如图4 所示. 了PLA分子链的运动，提高了复合材料的黏弹响 苎麻纤维的添加提高了复合材料的热变形温 应).当频率较低时，复合材料分子链段的缠结状 度，随着纤维含量的增加，复合材料的热变形温度 态不易受到破坏或者受到破坏后具有足够的松弛 逐渐升高，耐热性能的提高主要是由于苎麻纤维 时间来形成新的缠结，因此储存模量较低.同时， 的添加提高了复合材料的刚度.当质量分数为 在低剪切力作用下，PLA分子链与苎麻纤维相互 40%的苎麻纤维加入PLA时，复合材料的热变形 作用能力弱，分子链缠结状态不易破坏，从而产生 温度最高，由51.6℃增加到57℃，提高了10.5% 的内摩擦低，表现出低的损耗模量9随着频率的 此外，还可以通过界面改性提高复合材料的力学 增大，链段松弛时间变短，缠结回复受限程度增 性能四，或通过热处理方式提高复合材料的结晶 大，表现出高的储存模量，复合材料刚性增加.同时， 度，从而进一步提高复合材料的热变形温度 高的频率使分子链缠结严重破坏，参与运动的分 3.5力学性能分析 子链段数目增多且内摩擦作用增强，能量损耗增 图5给出了不同含量苎麻纤维增强PLA复合 多，进而提高了PLA及其复合材料的损耗模量P 材料的拉伸应力应变曲线，拉伸强度和模量，弯 从图3(c)中可以发现，PLA及其复合材料的 曲强度和模量以及断裂伸长率和冲击强度等力学 复合黏度变化规律与储存模量和损耗模量相反 性能 苎麻纤维的添加提高了PLA的复合黏度，且随着 为了更直观地看到苎麻纤维含量对复合材料 纤维含量的增多复合黏度逐渐增大.PLA和纤维 力学性能的影响，拉伸强度和模量、弯曲强度和 质量分数为10%的复合材料的复合黏度呈现两种 模量、冲击强度以及断裂伸长率的数值均列于 变化趋势，在低频和中频区，复合黏度几乎保持恒 表3中 定，当达到高频区时复合黏度迅速下降，出现剪切 从苎麻纤维含量对复合材料拉伸强度和弯曲 变稀现象，即从牛顿流体转变为幂律流体-2.根 强度的影响结果可以看出，当纤维质量分数小于 据聚合物流变学的观点)，剪切变稀行为是聚合 30%时复合材料拉伸强度和弯曲强度均随体系中 物分子链相互缠结和在剪切力作用下分子链解缠 艺麻纤维含量的增加而大幅增大.当体系中纤维 结相互作用的结果，当分子链段缠结速度等于解 质量分数大于30%后，上升趋势减缓.在PLA中 缠速度时，表现出牛顿流体平台；在高频率区域， 添加质量分数为40%的纤维时，复合材料拉伸强 复合材料缠结形成速度小于缠结破坏速度，因此 度和弯曲强度最大，分别提高了30%和21.9%.当 10 (a) PLA 105 (b) (c) 10 PLA/RF10 PLA/RF20 PLA/RF30 /sn jn pou ed/sn]npour 105 PLA/RF40 10 PLA PLA/RF10 PLA/REI0 PLA/RF20 109 PLA/RF20 10 PLARF30 PLA/RF40 PLA/RF40 10p 102 10 101 102 103 10° 101 102 103 10° 101 102 Angular frequency/rad-s) Angular frequency/(rad-s-) Angular frequency/(rad-s) 图3 PLA及其复合材料的流变行为.(a)储存模量：(b)损耗模量：(c)复合黏度 Fig.3 Rheological behavior of PLA and its composites:(a)storage modulus;(b)loss modulus;(c)complex viscosity

了 PLA 分子链的运动，提高了复合材料的黏弹响 应[18] . 当频率较低时，复合材料分子链段的缠结状 态不易受到破坏或者受到破坏后具有足够的松弛 时间来形成新的缠结，因此储存模量较低. 同时， 在低剪切力作用下，PLA 分子链与苎麻纤维相互 作用能力弱，分子链缠结状态不易破坏，从而产生 的内摩擦低，表现出低的损耗模量[19] . 随着频率的 增大，链段松弛时间变短，缠结回复受限程度增 大，表现出高的储存模量，复合材料刚性增加. 同时， 高的频率使分子链缠结严重破坏，参与运动的分 子链段数目增多且内摩擦作用增强，能量损耗增 多，进而提高了 PLA 及其复合材料的损耗模量[20] . 从图 3（c）中可以发现，PLA 及其复合材料的 复合黏度变化规律与储存模量和损耗模量相反. 苎麻纤维的添加提高了 PLA 的复合黏度，且随着 纤维含量的增多复合黏度逐渐增大. PLA 和纤维 质量分数为 10% 的复合材料的复合黏度呈现两种 变化趋势，在低频和中频区，复合黏度几乎保持恒 定，当达到高频区时复合黏度迅速下降，出现剪切 变稀现象，即从牛顿流体转变为幂律流体[21−22] . 根 据聚合物流变学的观点[23] ，剪切变稀行为是聚合 物分子链相互缠结和在剪切力作用下分子链解缠 结相互作用的结果，当分子链段缠结速度等于解 缠速度时，表现出牛顿流体平台；在高频率区域， 复合材料缠结形成速度小于缠结破坏速度，因此 复合材料的复合黏度急剧下降，表现出剪切变稀 行为. 当苎麻纤维质量分数为 20% 时，复合材料的 复合黏度呈现三段变化趋势，先从幂律流体转变 为牛顿流体，最后再转变为幂律流体. 因此，从整 个频率范围内来看，高纤维含量的复合材料分子 链缠结更严重，表现出复合材料黏度下降. 3.4    热变形温度分析 热变形温度反应复合材料在高温下应用时的 极限温度，PLA 及其复合材料的热变形温度如图 4 所示. 苎麻纤维的添加提高了复合材料的热变形温 度，随着纤维含量的增加，复合材料的热变形温度 逐渐升高，耐热性能的提高主要是由于苎麻纤维 的添加提高了复合材料的刚度. 当质量分数为 40% 的苎麻纤维加入 PLA 时，复合材料的热变形 温度最高，由 51.6 °C 增加到 57 °C，提高了 10.5%. 此外，还可以通过界面改性提高复合材料的力学 性能[12] ，或通过热处理方式提高复合材料的结晶 度[24] ，从而进一步提高复合材料的热变形温度. 3.5    力学性能分析 图 5 给出了不同含量苎麻纤维增强 PLA 复合 材料的拉伸应力应变曲线，拉伸强度和模量，弯 曲强度和模量以及断裂伸长率和冲击强度等力学 性能. 为了更直观地看到苎麻纤维含量对复合材料 力学性能的影响，拉伸强度和模量、弯曲强度和 模量、冲击强度以及断裂伸长率的数值均列于 表 3 中. 从苎麻纤维含量对复合材料拉伸强度和弯曲 强度的影响结果可以看出，当纤维质量分数小于 30% 时复合材料拉伸强度和弯曲强度均随体系中 苎麻纤维含量的增加而大幅增大. 当体系中纤维 质量分数大于 30% 后，上升趋势减缓. 在 PLA 中 添加质量分数为 40% 的纤维时，复合材料拉伸强 度和弯曲强度最大，分别提高了 30% 和 21.9%. 当 表 2    PLA 及其复合材料的热性能 Table 2    Thermal parameters of PLA and its composites Samples Second heating First cooling Crystallinity Tm1/°C Tm2/°C ΔHm/(J·g−1) Tmc/°C χc /% PLA 169.2 176.4 46.96 108.4 50.11 PLA/10RF 168.8 175.9 37.35 109.7 44.29 PLA/20RF 170.2 177.0 29.84 107.6 39.81 PLA/30RF 170.7 178.5 26.67 105.5 40.66 PLA/40RF 170.9 178.7 23.82 104.5 42.37 106 105 104 103 102 106 105 106 105 108 109 107 104 103 102 101 100 100 101 Angular frequency/(rad·s−1) (a) (b) (c) 103 102 100 101 Angular frequency/(rad·s−1) Angular frequency/(rad·s−1) 103 102 100 101 103 102 Storage modulus/Pa Loss modulus/Pa Complex viscosity/(mPa·s) PLA PLA/RF10 PLA/RF20 PLA/RF30 PLA/RF40 PLA PLA/RF10 PLA/RF20 PLA/RF30 PLA/RF40 PLA PLA/RF10 PLA/RF20 PLA/RF30 PLA/RF40 图 3    PLA 及其复合材料的流变行为. （a）储存模量；（b）损耗模量；（c）复合黏度 Fig.3    Rheological behavior of PLA and its composites: (a) storage modulus; (b) loss modulus; (c) complex viscosity · 956 · 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 957· 60 复合材料试样受到外力作用时，树脂基体首先发 生形变，并且随着外力的增加变形逐渐增大，基体 将所承受的应力传递给纤维增强体，起到分散力 的作用，因而材料能够承受较大外力，宏观上表现 为材料的拉伸、弯曲强度的大幅度提高然而由 于纤维密度小，体积含量较大，当纤维质量分数量 52 达到40%时，PLA基体不能充分浸润苎麻纤维，导 致部分纤维在基体中团聚，出现应力集中现象.此 10 20 30 时在拉伸过程中，材料内部容易产生缺陷引发裂 40 Mass fraction of ramie fiber/ 纹生成，导致拉伸强度升幅减缓 图4PLA及其复合材料的热变形温度 由不同纤维含量对复合材料拉伸和弯曲模量 Fig.4 Heat deflection temperature of PLA and its composites 的影响结果可知，纤维的加入能够提高复合材料 80 (b) 2.5 (a) 80 Tensile strength PLA LA/10RF Tensile modulus PLA/20RF 2.0 PLA/30RF PLA/40RF 1.5 1.0 50 0.5 10 10 20 0 40 Strain/% Mass fraction of ramie fiber/ 120 (c) 0 ☑Flexural strength 35 -(d) Impact strength Flexural modulus Elongation 8 100 16 6 (:-wf)anuans edul 030 12 1.5 8 1.0 0.5 40 10 20 30 40 10 20 30 40 Mass fraction of ramie fiber/ Mass fraction of ramie fiber/% 图5PLA及其复合材料力学性能.(a)应力-应变曲线：(b)拉伸性能：(c)弯曲性能：()冲击强度和裂伸长率 Fig.5 Mechanical properties of PLA and its composites:(a)carves of stress-strain;(b)tensile properties;(c)flexural properties;(d)impact strength and elongation at break 表3PLA及其复合材料力学性能 Table 3 Mechanical properties of PLA and its composites Samples Tensile strength/MPa Tensile modulus/MPa Flexural strength/MPa Flexural modulus/MPa Impact strength/(kJ.m)Elongation/% PLA 55.89 1012.29 81.42 4172.13 3.29 14.74 PLA/1ORF 60.60 1224.59 84.2 5268.17 1.83 6.27 PLA/20RF 64.64 1427.93 87.44 6219.96 1.77 5.16 PLA/30RF 70.42 1675.35 97.19 7770.96 1.73 5.03 PLA/40RF 72.62 1652.06 99.24 8235.49 1.60 4.48

复合材料试样受到外力作用时，树脂基体首先发 生形变，并且随着外力的增加变形逐渐增大，基体 将所承受的应力传递给纤维增强体，起到分散力 的作用，因而材料能够承受较大外力，宏观上表现 为材料的拉伸、弯曲强度的大幅度提高[25] . 然而由 于纤维密度小，体积含量较大，当纤维质量分数量 达到 40% 时，PLA 基体不能充分浸润苎麻纤维，导 致部分纤维在基体中团聚，出现应力集中现象. 此 时在拉伸过程中，材料内部容易产生缺陷引发裂 纹生成，导致拉伸强度升幅减缓[26] . 由不同纤维含量对复合材料拉伸和弯曲模量 的影响结果可知，纤维的加入能够提高复合材料 表 3  PLA 及其复合材料力学性能 Table 3 Mechanical properties of PLA and its composites Samples Tensile strength/MPa Tensile modulus/MPa Flexural strength/MPa Flexural modulus/MPa Impact strength/(kJ·m−2) Elongation/% PLA 55.89 1012.29 81.42 4172.13 3.29 14.74 PLA/10RF 60.60 1224.59 84.2 5268.17 1.83 6.27 PLA/20RF 64.64 1427.93 87.44 6219.96 1.77 5.16 PLA/30RF 70.42 1675.35 97.19 7770.96 1.73 5.03 PLA/40RF 72.62 1652.06 99.24 8235.49 1.60 4.48 60 58 56 Heat deflection temperature/ ℃ 54 52 50 Mass fraction of ramie fiber/% 0 10 20 30 40 图 4    PLA 及其复合材料的热变形温度 Fig.4    Heat deflection temperature of PLA and its composites 80 (a) (c) (b) (d) 60 Stress/MPa Flexural strength/MPa Flexural modulus/GPa Elongation/ % Impact strength/(kJ·m−2 ) 40 80 100 120 60 40 8 10 6 4 2 0 3.0 3.5 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 16 20 12 8 4 0 0 20 80 0 10 20 30 40 Impact strength Elongation 60 70 Tensile strength/MPa 50 Tensile modulus/GPa 2.5 1.5 2.0 1.0 0.5 0 40 0 0 5 10 Strain/% Mass fraction of ramie fiber/% 0 10 20 30 40 Mass fraction of ramie fiber/% Mass fraction of ramie fiber/% 15 0 10 20 30 40 PLA PLA/10RF PLA/20RF PLA/30RF PLA/40RF Tensile strength Tensile modulus Flexural strength Flexural modulus 图 5    PLA 及其复合材料力学性能. （a）应力−应变曲线；（b）拉伸性能； （c）弯曲性能； （d）冲击强度和断裂伸长率 Fig.5    Mechanical properties of PLA and its composites: (a) carves of stress‒strain; (b) tensile properties; (c) flexural properties; (d) impact strength and elongation at break 展江湖等： 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 · 957 ·

958 工程科学学报，第43卷，第7期 模量，且随着纤维含量的增加而增大.当纤维质量 麻纤维质量分数为40%时，复合材料的拉伸和弯 分数为30%时，复合材料的拉伸和弯曲模量分别 曲强度分别提高了30%和21.9%.但当苎麻纤维 达到1675MPa和7770MPa,与纯PLA相比，分别 质量分数大于30%时，由于PLA基体对纤维浸 提高了65.5%和86.2%.可见纤维增强后的材料刚 润性不足，导致复合材料的拉伸和弯曲强度增幅 性得到极大提高，这是由于纤维为高刚性材料，在 变缓 复合材料中以增强体存在，起到“骨架”作用，主要 承载外力27，但当纤维质量分数进一步升高到 参考文 献 40%,由于纤维体积较大，易于发生团聚，致使拉伸 [1]Mochane M J,Mokhena T C,Mokhothu T H,et al.Recent 和弯曲模量有所下降&28 progress on natural fiber hybrid composites for advanced 苎麻纤维的加入降低了PLA的冲击韧性和断 applications:A review.Express Polym Lett,2019,13(2):159 [2]Gholampour A.Ozbakkaloglu T.A review of natural fiber 裂伸长率，随着纤维含量的增大，复合材料的冲击 composites:Properties,modification and processing techniques, 韧性和断裂伸长率逐渐减低，这个现象与He等 characterization,applications./Mater Sci,2020,55(3):829 所报道的结果保持一致.由图5(d)可知，质量分数 [3]Siakeng R,Jawaid M,Ariffin H,et al.Natural fiber reinforced 为10%的纤维的添加使冲击强度和断裂伸长率大 polylactic acid composites:A review.Polym Compos,2019, 幅下降，冲击强度由3.29kJm2减小到1.83kJm2, 40(2):446 断裂伸长率由14.7%下降到6.3%.随着纤维的继 [4]Lv Z L,Wu H W,Pei Y M,et al.Improvement of interfacial 续加入，冲击强度和断裂伸长率下降趋势减缓，表 adhesion and mechanical properties of sisal fiber-reinforced 明纤维增强复合材料的脆性较大.材料在受到冲 poly(lactic acid)composites with added bisoxazoline.Polym 击载荷时，裂纹无法有效地沿纤维与基体间界面 C0mp0s,2020,41(5):1841 [5] Jariwala H,Jain P.A review on mechanical behavior of natural 扩展开来，限制了材料吸收能量，材料易发生脆 fiber reinforced polymer composites and its applications.J Reinf 断.同时由于纤维的加入，破坏了基体树脂的连续 Plast Compos,2019,38(10):441 性，增加了应力集中点：纤维的端部往往容易产 [6] Wang Q T,Zhang Y,Liang W K,et al.Improved mechanical 生应力集中而成为裂纹源，当受到外力冲击时裂 properties of the graphene oxide modified bamboo-fiber-reinforced 纹可以沿着纤维迅速扩大，导致材料的缺口冲击 polypropylene composites.Polym Compos,2020,41(9):3615 强度降低 [7] Pickering K L.Efendy M G A.Le T M.A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical 4结论 performance.Composites,Part A,2016,83:98 [8J Debeli D K,Tebyetekerwa M,Hao J,et al.Improved thermal and 本文研究了苎麻纤维含量对复合材料性能的 mechanical performance of ramie fibers reinforced poly(lactic 影响，并对其增强机理进行分析，总结如下： acid)biocomposites via fiber surface modifications and composites (I)SEM断口形貌表明，PLA的断口表面上具 thermal annealing.Polym Compos,2018,39(S3):E1867 有较多的孔洞和被拉长的基体，表明PLA具有较 [9]Hao M Y.Wu H W.Effect of in situ reactive interfacial 好的拉伸韧性.然而，由于苎麻纤维与基体具有较 compatibilization on structure and properties of polylactide/sisal 弱的界面强度，断口表面上具有较多的纤维拔出 fiber biocomposites.Polym Compos,2018,39:E174 [10]Wang F,Yang M Q,Zhou S J,et al.Effect of fiber volume 和纤维孔洞，且被拔出的纤维表面无基体附着 fraction on the thermal and mechanical behavior of polylactide- (2)当纤维质量分数大于10%时，苎麻纤维的 based composites incorporating bamboo fibers.J App/Polym Sci, 添加限制了PLA分子链的运动，降低了复合材料 2018,135(15):46148 的低温区熔融峰且提高了熔融温度，促进复合材 [11]Xu H,Liu C Y,Chen C,et al.Easy alignment and effective 料形成更加完善的晶核.同时，流变行为表明，苎 nucleation activity of ramie fibers in injection-molded poly(lactic 麻纤维的加人提高了复合材料的黏弹响应和复合 acid)biocomposites.Biopolymers,2012,97(10):825 黏度 [12]Yu T,Ren J,LiS M,et al.Effect of fiber surface-treatments on the (3)苎麻纤维的加入提高了复合材料的热变 properties of poly(lactic acid)/ramie composites.Composites,Parr 4,2010,41(4):499 形温度，当苎麻质量分数为40%时，复合材料的热 [13]Cartier L,Okihara T,Ikada Y,et al.Epitaxial crystallization and 变形温度从51.6℃提高到57℃，提高了10.5%. crystalline polymorphism of polylactides.Polymer,2000,41(25): (4)苎麻纤维的添加提高了复合材料的拉伸 8909 和弯曲强度，且随纤维含量的增加而增大.当苎 [14]Martin O,Averous L.Poly(lactic acid):Plasticization and

模量，且随着纤维含量的增加而增大. 当纤维质量 分数为 30% 时，复合材料的拉伸和弯曲模量分别 达到 1675 MPa 和 7770 MPa，与纯 PLA 相比，分别 提高了 65.5% 和 86.2%. 可见纤维增强后的材料刚 性得到极大提高，这是由于纤维为高刚性材料，在 复合材料中以增强体存在，起到“骨架”作用，主要 承载外力[27] . 但当纤维质量分数进一步升高到 40%，由于纤维体积较大，易于发生团聚，致使拉伸 和弯曲模量有所下降[8, 28] . 苎麻纤维的加入降低了 PLA 的冲击韧性和断 裂伸长率，随着纤维含量的增大，复合材料的冲击 韧性和断裂伸长率逐渐减低，这个现象与 He 等[29] 所报道的结果保持一致. 由图 5（d）可知，质量分数 为 10% 的纤维的添加使冲击强度和断裂伸长率大 幅下降，冲击强度由 3.29 kJ·m−2 减小到 1.83 kJ·m−2 ， 断裂伸长率由 14.7% 下降到 6.3%. 随着纤维的继 续加入，冲击强度和断裂伸长率下降趋势减缓，表 明纤维增强复合材料的脆性较大. 材料在受到冲 击载荷时，裂纹无法有效地沿纤维与基体间界面 扩展开来，限制了材料吸收能量，材料易发生脆 断. 同时由于纤维的加入，破坏了基体树脂的连续 性，增加了应力集中点[30] ；纤维的端部往往容易产 生应力集中而成为裂纹源，当受到外力冲击时裂 纹可以沿着纤维迅速扩大，导致材料的缺口冲击 强度降低. 4    结论 本文研究了苎麻纤维含量对复合材料性能的 影响，并对其增强机理进行分析，总结如下： （1）SEM 断口形貌表明，PLA 的断口表面上具 有较多的孔洞和被拉长的基体，表明 PLA 具有较 好的拉伸韧性. 然而，由于苎麻纤维与基体具有较 弱的界面强度，断口表面上具有较多的纤维拔出 和纤维孔洞，且被拔出的纤维表面无基体附着. （2）当纤维质量分数大于 10% 时，苎麻纤维的 添加限制了 PLA 分子链的运动，降低了复合材料 的低温区熔融峰且提高了熔融温度，促进复合材 料形成更加完善的晶核. 同时，流变行为表明，苎 麻纤维的加入提高了复合材料的黏弹响应和复合 黏度. （3）苎麻纤维的加入提高了复合材料的热变 形温度，当苎麻质量分数为 40% 时，复合材料的热 变形温度从 51.6 °C 提高到 57 °C，提高了 10.5%. （4）苎麻纤维的添加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. 当苎 麻纤维质量分数为 40% 时，复合材料的拉伸和弯 曲强度分别提高了 30% 和 21.9%. 但当苎麻纤维 质量分数大于 30% 时，由于 PLA 基体对纤维浸 润性不足，导致复合材料的拉伸和弯曲强度增幅 变缓. 参    考    文    献 Mochane  M  J,  Mokhena  T  C,  Mokhothu  T  H,  et  al.  Recent progress  on  natural  fiber  hybrid  composites  for  advanced applications: A review. Express Polym Lett, 2019, 13（2）: 159 [1] Gholampour  A,  Ozbakkaloglu  T.  A  review  of  natural  fiber composites:  Properties,  modification  and  processing  techniques, characterization, applications. J Mater Sci, 2020, 55（3）: 829 [2] Siakeng  R,  Jawaid  M,  Ariffin  H,  et  al.  Natural  fiber  reinforced polylactic  acid  composites:  A  review. Polym Compos,  2019, 40（2）: 446 [3] Lv  Z  L,  Wu  H  W,  Pei  Y  M,  et  al.  Improvement  of  interfacial adhesion  and  mechanical  properties  of  sisal  fiber-reinforced poly(lactic  acid)  composites  with  added  bisoxazoline. Polym Compos, 2020, 41（5）: 1841 [4] Jariwala  H,  Jain  P.  A  review  on  mechanical  behavior  of  natural fiber  reinforced  polymer  composites  and  its  applications. J Reinf Plast Compos, 2019, 38（10）: 441 [5] Wang  Q  T,  Zhang  Y,  Liang  W  K,  et  al.  Improved  mechanical properties of the graphene oxide modified bamboo-fiber-reinforced polypropylene composites. Polym Compos, 2020, 41（9）: 3615 [6] Pickering  K  L,  Efendy  M  G  A,  Le  T  M.  A  review  of  recent developments  in  natural  fibre  composites  and  their  mechanical performance. Composites, Part A, 2016, 83: 98 [7] Debeli D K, Tebyetekerwa M, Hao J, et al. Improved thermal and mechanical  performance  of  ramie  fibers  reinforced  poly(lactic acid) biocomposites via fiber surface modifications and composites thermal annealing. Polym Compos, 2018, 39（S3）: E1867 [8] Hao  M  Y,  Wu  H  W.  Effect  of in situ reactive  interfacial compatibilization  on  structure  and  properties  of  polylactide/sisal fiber biocomposites. Polym Compos, 2018, 39: E174 [9] Wang  F,  Yang  M  Q,  Zhou  S  J,  et  al.  Effect  of  fiber  volume fraction  on  the  thermal  and  mechanical  behavior  of  polylactide￾based composites incorporating bamboo fibers. J Appl Polym Sci, 2018, 135（15）: 46148 [10] Xu  H,  Liu  C  Y,  Chen  C,  et  al.  Easy  alignment  and  effective nucleation activity of ramie fibers in injection-molded poly(lactic acid) biocomposites. Biopolymers, 2012, 97（10）: 825 [11] Yu T, Ren J, Li S M, et al. Effect of fiber surface-treatments on the properties of poly(lactic acid)/ramie composites. Composites, Part A, 2010, 41（4）: 499 [12] Cartier L, Okihara T, Ikada Y, et al. Epitaxial crystallization and crystalline polymorphism of polylactides. Polymer, 2000, 41（25）: 8909 [13] [14] Martin  O,  Avérous  L.  Poly(lactic  acid):  Plasticization  and · 958 · 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 959. properties of biodegradable multiphase systems.Polymer,2001. Chem Eng,2014,2(10:2345 42(14):6209 [23]Hao M Y,Wu H W,Zhu Z H.In situ reactive interfacial [15]Zhang HH,Ming R H,Yang G S,et al.Influence of alkali compatibilization of polylactide/sisal fiber biocomposites via melt- treatment on flax fiber for use as reinforcements in polylactide blending with an epoxy-functionalized terpolymer elastomer.RSC stereocomplex composites.Polym Eng Sci,2015,55(11):2553 Adh,2017,7(51):32399 [16]Orue A,Eceiza A,Arbelaiz A.The effect of sisal fiber surface [24]Tabi T,Hajba S,Kovacs J G.Effect of crystalline forms (a'and a) treatments,plasticizer addition and annealing process on the of poly(lactic acid)on its mechanical,thermo-mechanical,heat crystallization and the thermo-mechanical properties of poly(lactic deflection temperature and creep properties.Eur Polym,2016, acid)composites.Ind Crops Prod,2018,118:321 82:232 [17]Yu T Jiang N,Li Y.Study on short ramie fiber/poly(lactic acid) [25]Harris A M,Lee E C.Improving mechanical performance of composites compatibilized by maleic anhydride.Composites,Par injection molded PLA by controlling crystallinity.J Appl Polym A,2014,64:139 Sc,2008,107(4):2246 [18]Song Y H,Zheng Q.Linear viscoelasticity of polymer melts filled [26]Jeencham R,Suppakarn N,Jarukumjom K.Effect of flame with nano-sized fillers.Polymer,2010,51(14):3262 retardants on flame retardant,mechanical,and thermal properties [19]Bai J J.Preparation and Properties of Nano-Carbon/Thermopla- of sisal fiber/polypropylene composites.Composites,Part B,2014, stic Polyurethane Elastomer Composites [Dissertation].Taiyuan: 56:249 North University of China,2020 [27]Debeli D K,Qin Z,Guo J S.Study on the pre-treatment,physical (白静静.纳米碳热塑性聚氨酯弹性体复合材料的制备及性能 and chemical properties of ramie fibers reinforced poly (lactic [学位论文].太原：中北大学，2020) acid)(PLA)biocomposite./Nat Fibers,2018,15(4):596 [20]Chen S.Research on Dynamic Viscoelastic Properties and [28]Xu W B,Li QL,Tian MM.Strength and deformation properties Constitutive Relationship of Polymer Materials [Dissertation]. of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill.Chin Zhengzhou:Zhengzhou University,2020 JEmg,2019,41(12:1618 (陈硕，高聚物注浆材料动态黏弹特性及其本构关系研究学位 (徐文彬，李乾龙，田明明.聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变 论文].郑州：郑州大学，2020) 形特性.工程科学学报，2019,41(12)：1618) [21]Xu HJ,Fang H G,Bai J,et al.Preparation and characterization of [29]He L P,Li W J,Chen D C,et al.Effects of amino silicone oil high-melt-strength polylactide with long-chain branched structure modification on properties of ramie fiber and ramie fiber/ through y-radiation-induced chemical reactions.Ind Eng Chem polypropylene composites.Mater Des,2015,77:142 Res,2014,53(3):1150 [30]Orue A.Jauregi A.Unsuain U,et al.The effect of alkaline and [22]Zhang K Y,Misra M,Mohanty A K.Toughened sustainable green silane treatments on mechanical properties and breakage of sisal composites from poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) fibers and poly(lactic acid)/sisal fiber composites.Composites, based ternary blends and miscanthus biofiber.ACS Sustainable Par1A,2016,84:186

properties  of  biodegradable  multiphase  systems. Polymer,  2001, 42（14）: 6209 Zhang  H  H,  Ming  R  H,  Yang  G  S,  et  al.  Influence  of  alkali treatment  on  flax  fiber  for  use  as  reinforcements  in  polylactide stereocomplex composites. Polym Eng Sci, 2015, 55（11）: 2553 [15] Orue  A,  Eceiza  A,  Arbelaiz  A.  The  effect  of  sisal  fiber  surface treatments,  plasticizer  addition  and  annealing  process  on  the crystallization and the thermo-mechanical properties of poly(lactic acid) composites. Ind Crops Prod, 2018, 118: 321 [16] Yu T, Jiang N, Li Y. Study on short ramie fiber/poly(lactic acid) composites compatibilized by maleic anhydride. Composites, Part A, 2014, 64: 139 [17] Song Y H, Zheng Q. Linear viscoelasticity of polymer melts filled with nano-sized fillers. Polymer, 2010, 51（14）: 3262 [18] Bai J J. Preparation and Properties of Nano-Carbon/Thermopla￾stic Polyurethane Elastomer Composites [Dissertation].  Taiyuan: North University of China, 2020 （ 白静静. 纳米碳/热塑性聚氨酯弹性体复合材料的制备及性能 [学位论文]. 太原: 中北大学, 2020） [19] Chen  S. Research on Dynamic Viscoelastic Properties and Constitutive Relationship of Polymer Materials [Dissertation]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2020 （ 陈硕. 高聚物注浆材料动态黏弹特性及其本构关系研究[学位 论文]. 郑州: 郑州大学, 2020） [20] Xu H J, Fang H G, Bai J, et al. Preparation and characterization of high-melt-strength polylactide with long-chain branched structure through  γ-radiation-induced  chemical  reactions. Ind Eng Chem Res, 2014, 53（3）: 1150 [21] Zhang K Y, Misra M, Mohanty A K. Toughened sustainable green composites  from  poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) based  ternary  blends  and  miscanthus  biofiber. ACS Sustainable [22] Chem Eng, 2014, 2（10）: 2345 Hao  M  Y,  Wu  H  W,  Zhu  Z  H. In situ reactive  interfacial compatibilization of polylactide/sisal fiber biocomposites via melt￾blending with an epoxy-functionalized terpolymer elastomer. RSC Adv, 2017, 7（51）: 32399 [23] Tábi T, Hajba S, Kovács J G. Effect of crystalline forms (α' and α) of  poly(lactic  acid)  on  its  mechanical,  thermo-mechanical,  heat deflection  temperature  and  creep  properties. Eur Polym J,  2016, 82: 232 [24] Harris  A  M,  Lee  E  C.  Improving  mechanical  performance  of injection  molded  PLA  by  controlling  crystallinity. J Appl Polym Sci, 2008, 107（4）: 2246 [25] Jeencham  R,  Suppakarn  N,  Jarukumjorn  K.  Effect  of  flame retardants  on  flame  retardant,  mechanical,  and  thermal  properties of sisal fiber/polypropylene composites. Composites, Part B, 2014, 56: 249 [26] Debeli D K, Qin Z, Guo J S. Study on the pre-treatment, physical and  chemical  properties  of  ramie  fibers  reinforced  poly  (lactic acid) (PLA) biocomposite. J Nat Fibers, 2018, 15（4）: 596 [27] Xu W B, Li Q L, Tian M M. Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill. Chin J Eng, 2019, 41（12）: 1618 （徐文彬, 李乾龙, 田明明. 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变 形特性. 工程科学学报, 2019, 41（12）：1618） [28] He  L  P,  Li  W  J,  Chen  D  C,  et  al.  Effects  of  amino  silicone  oil modification  on  properties  of  ramie  fiber  and  ramie  fiber/ polypropylene composites. Mater Des, 2015, 77: 142 [29] Orue  A,  Jauregi  A,  Unsuain  U,  et  al.  The  effect  of  alkaline  and silane  treatments  on  mechanical  properties  and  breakage  of  sisal fibers  and  poly(lactic  acid)/sisal  fiber  composites. Composites, Part A, 2016, 84: 186 [30] 展江湖等： 苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 · 959 ·