[麻进展]PLA_黄麻层压复合材料的紫外老化性能

作者：邹婷等来源：发布时间：2022-09-17 Tag: 点击：

摘要：为了探索紫外照射对PLA/黄麻层压复合材料性能的影响，延长复合材料在实际应用中的使用寿命，采用模压成型法和薄膜堆叠法制备PLA/黄麻层压复合材料，研究紫外老化时间对复合材料力学性能的影响，并对复合材料拉伸后的断口形貌进行分析。结果表明：随着紫外老化时间的延长，复合材料的拉伸和弯曲性能均表现为先上升后下降，均在老化48h后达到最大，拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量较未老化的复合材料分别提高了约19.29%、17.73%、23.49%和24.97%。这可能是由于在老化时间较短时，PLA分子链交联占据主导作用，提高了界面粘结性。随着老化时间进一步延长，拉伸和弯曲性能开始不断下降，这可能是由于PLA分子链的老化断裂开始起主导作用，导致界面粘结性下降。

关键词：黄麻；PLA；复合材料；紫外老化；力学性能

引言

黄麻价格低廉，种植广泛，产量较高^[¹^]，且具有良好的断裂强度、耐热性能、抗菌性能、可生物降解性以及可再生性等，近年来广泛应用于复合材料增强体^[²^,³^,⁴^]。

聚乳酸(PLA)的主要合成原料为乳酸^[⁵^]，具有良好的生物相容性、生物可降解性和力学性能等，且安全无毒，但其也存在较脆、韧性差、抗冲击性差等不足，限制了其在很多领域的应用^[⁶^,⁷^,⁸^]。因此采用麻纤维作为增强体，有利于改善PLA的性能，制备的PLA/黄麻复合材料的拉伸、弯曲性能和冲击强度都一定程度的提高^[⁹^,¹⁰^]。

PLA/黄麻复合材料作为一种可生物降解的绿色复合材料，为复合材料的循环使用提供了可能性，因此近年来备受关注，在汽车、航空航天和建筑等领域有着广泛的应用^[¹¹^,¹²^]。目前对PLA/黄麻复合材料力学性能的研究很多：Fang等^[⁴^]研究了成型温度和加热时间对PLA/黄麻层压复合材料力学性能的影响。在改性方面，国内外众多学者研究了不同的改性处理对PLA/黄麻复合材料力学性能的影响。张仁贵^[¹³^]对黄麻进行酸、碱以及偶联剂处理；李明^[¹⁴^]对黄麻进行碱处理、表面硅烷处理以及用马来酸酐接枝聚乳酸；孙旭鹏^[¹⁵^]对黄麻进行碱处理、硅烷偶联剂处理以及二者联合处理；Delgado-Aguilar等^[¹⁶^]用次氯酸钠漂白黄麻；Manral等^[¹⁷^]用不同浓度的碳酸氢钠处理黄麻。但目前在PLA/黄麻复合材料紫外老化方面的研究鲜有报道。

PLA/黄麻复合材料在使用过程中避免不了受到紫外照射，长时间使用时会导致其力学性能大幅下降，影响使用寿命。因此，探究PLA/黄麻复合材料紫外老化规律对其工程实际应用具有重要意义^[¹²^]。本文选用黄麻非织造材料作为增强体，PLA作为基体，采用热压法制备PLA/黄麻层压复合材料。随后对其进行紫外光老化处理，探索紫外照射时长对PLA/黄麻复合材料力学性能的影响规律，分析复合材料的紫外老化机理。

1实验部分

1.1实验材料与仪器

材料：黄麻纤维针刺絮片（克重为222±2g/m2），购自江西利风麻业有限公司；聚乳酸（PLA;4032d;1.24g/cm3）购自美国Nature Works公司。

仪器：DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱，上海申贤恒温设备厂；YP10001型电子天平，上海上天精密仪器有限公司；HG-3621型手动热压成型机，恒廣科技股份有限公司；ADJ230型带锯切割机，金华市脉拓工具有限公司；QUV/spray型QUV紫外光老化加速试验机，美国Q-lab公司；INSTRON3365型万能试验机，美国英斯特朗公司；TM3030型扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.2实验方法

1.2.1 PLA薄膜的制备

将PLA颗粒在80℃的烘箱中干燥3小时，干燥后取10g左右均匀地放在两层耐高温布（聚四氟乙烯）之间，将耐高温布放入硫化机的上下热压板之间，在190℃的温度下制备PLA薄膜，在5MPa的压力下保持3min，随后在30MPa的压力下保持1min，取出冷却后，制得PLA薄膜（克重为267±2g/m2）。

1.2.2 PLA/黄麻层压复合材料的制备

将PLA薄膜和黄麻纤维针刺絮片在80℃的烘箱中干燥3小时。采用薄膜叠加的方法，将两层黄麻絮片平行排列在三层PLA薄膜之间，铺叠好后用耐高温布将其包裹住（防止PLA粘住模具以致模具难以打开），放入模具（150mm×150mm）中，随后在硫化机上下热压板间进行热压，模压温度为190℃。在5MPa的压力下保持3h后，在模具中自然冷却，冷却后打开模具，取出PLA/黄麻层压复合材料。

1.2.3 PLA/黄麻层压复合材料紫外老化处理

将切割好的PLA/黄麻层压复合材料放入QUV紫外光老化加速试验机中，试验机采用UVA340灯管，辐照度为0.68W/m2，将试验机温度设置为50℃，每隔24h取一次样，共取五次样。

1.3测试与表征

1.3.1拉伸性能测试

采用美国ASTM D3039标准（聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法）对紫外处理前后的PLA/黄麻层压复合材料进行拉伸性能测试。将层压板切割成尺寸为125mm×12.5mm的形状，并在电子万能试验机上以2mm/min的位移速率进行拉伸测试。

1.3.2拉伸断口形貌测试

通过台式SEM(TM3030,日本日立公司）观察紫外处理前后的PLA/黄麻层压复合材料拉伸测试后的断口形貌。对待测样品首先进行180s的喷金处理，随后用场发射枪在3.0kV的加速电压下对试样进行观察。

1.3.3弯曲性能测试

根据GBT1449-2005标准（纤维增强塑料弯曲性能试验方法）对紫外照射前后的复合材料样品进行三点弯曲测试。将样品切成尺寸为70mm×10mm的标准形状，跨距为58mm，通过具有三点夹具的电子万能试验机以2mm/min的速度进行弯曲测试。

试样弯曲强度σf和弯曲应变εf的计算公式如下：

式中：σf为弯曲强度，MPa;P为破坏载荷，N;L为跨距，mm;b为试样宽度，mm;d为试样厚度，mm；εf为弯曲应变，mm/mm;D为试样中心的最大挠度，mm。

2 结果与讨论

2.1 复合材料紫外老化前后的拉伸性能

图1为紫外老化前后PLA/黄麻复合材料的拉伸应力-应变曲线图以及拉伸强度和拉伸模量柱状图。从图中可以看出，随着紫外照射时间的延长，复合材料的拉伸强度和模量均表现为先上升后下降。在老化48h内，复合材料的拉伸性能呈现上升的趋势，老化48h时达到最大，拉伸强度达到10.14MPa，比未经紫外老化的样品提高了约19.29%，拉伸模量达到1832.99MPa，比未经紫外老化的样品提高了约17.73%。老化48h后，复合材料的拉伸性能呈现下降的趋势，在老化时间达到120h时，拉伸性能大幅度下降，拉伸强度为5.56MPa，比未老化的样品下降了约34.59%，拉伸模量为753.24MPa，比未老化的样品下降了约51.62%。

图1 紫外老化前后PLA/黄麻复合材料的拉伸应力-应变曲线图以及拉伸强度和拉伸模量柱状图

图2 PLA/黄麻复合材料的紫外老化机理

图2为PLA/黄麻复合材料的紫外老化机理。从图2可以看出，复合材料紫外老化后拉伸性能呈现出先上升后下降的原因可能是，在紫外老化过程中，PLA同时发生分子链交联和分子链断裂，在老化48 h内，链交联发挥主要作用，使得PLA/黄麻复合材料的界面粘结性提高，因此复合材料的拉伸强度和拉伸模量提高。随紫外老化时间的延长，分子链断裂开始发挥主要作用，复合材料产生微裂纹，PLA发生降解脱落，复合材料的界面粘结性变差，导致其拉伸性能下降[18,19]。

2.2复合材料紫外老化前后的拉伸断口形貌

图3为紫外老化前后PLA/黄麻复合材料的拉伸断口形貌图，图中（a）、（b）、（c）、（d）依次为未老化、老化24h、老化48h、老化120h的复合材料的拉伸断口形貌。从图中可以看出，未老化、老化24 h和老化48 h的复合材料中黄麻纤维和基体间的粘结较好，被拉出的纤维长度短，PLA基体中残留的孔洞少，大部分黄麻纤维仅在发生断口位置断裂，总体上呈脆性断裂，这表明PLA可以较好地渗入黄麻纤维间，黄麻纤维增强体与PLA基体的界面粘结性较好。而老化120h后，复合材料中的PLA大量降解脱落，黄麻纤维和PLA基体间的粘结性变差，导致大量黄麻纤维从基体中被拉出。

图3 紫外老化前后PLA/黄麻复合材料的拉伸断口形貌图

2.3复合材料紫外老化前后的弯曲性能

图4为紫外老化前后PLA/黄麻复合材料的弯曲应力-应变曲线图以及弯曲强度和弯曲模量柱状图。从图中可以看出，随着紫外时间的延长，复合材料的弯曲强度和模量均表现为先上升后下降。在老化48h内，复合材料的弯曲性能呈现出上升的趋势，老化48h时达到最大，弯曲强度和弯曲模量分别达到25.76MPa和4411.67MPa，比未经紫外老化的样品分别提高了约23.49%和24.97%。老化48h后，复合材料的弯曲性能呈现下降的趋势，在老化时间达到120 h时，弯曲强度和弯曲模量分别为17.45MPa和3146.86MPa，比未老化的样品分别下降了约16.35%和10.86%。这种现象可能仍是由于PLA分子链的交联和断裂对复合材料界面粘结性的影响不同而引起的，在老化48h内，PLA链交联起主导作用，复合材料界面粘结性提高，导致弯曲性能提高，随着紫外老化时间的延长，PLA分子链断裂发挥主要作用，复合材料的界面粘结性下降，导致弯曲性能下降^[¹⁸^,¹⁹^]。