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 ·