摘 要：玄武岩纤维是一种可自然降解的高性能纤维.苎麻纤维作为一种天然纤维，其来源广泛、再生能力强、成本低.以玄武岩织物、苎麻织物为增强体，以聚乳酸作为基体，通过模压成型工艺制备了混杂复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.结果表明：随着热压时间的增加，非对称铺层R/B复合材料的拉伸性能先增后减，当热压时间为25min、聚乳酸含量为70%时，混杂复合材料的拉伸性能最佳；苎麻织物处于芯层的B/R/B复合材料的断裂强力、断裂伸长率均高于玄武岩织物处于芯层的R/B/R复合材料，因此在制备混杂复合材料时宜将强力弱的材料铺在芯层.
关键词：玄武岩织物；苎麻织物；聚乳酸；铺层方式
玄武岩纤维是以天然的玄武岩为原材料，经过1450～1500℃的高温熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维[1].玄武岩纤维的制备工艺决定了在生产过程中不会产生大量的废弃物，对环境的污染小，而且其产品在废弃后可以在环境中自然降解，是典型的环境友好型材料.玄武岩纤维还具有耐高温、耐腐蚀、耐紫外线的优良特性，其增强型复合材料已经广泛应用于公路养护纤维封层、短切沥青增强、体育器材制造、墙外保温系统等领域.目前关于玄武岩纤维增强复合材料的研究主要包括纤维的增强机理、改性处理、纤维含量[2，3，4，5，6]对复合材料力学性能的影响.针对玄武岩织物类复合材料的研究尚少，且现有研究主要集中在玄武岩织物的可纺可织性方面[7，8，9，10].
苎麻纤维来源广泛、再生能力强、成本低，苎麻复合材料具有吸潮、隔音、减震、降噪等特点，目前关于苎麻纤维增强复合材料的研究主要集中在纤维的表面处理、成型工艺及性能研究等方面.李鑫等[11]利用碱处理、硅烷偶联剂处理以及碱+硅烷偶联剂联合处理分别对苎麻织物表面进行化学改性，研究改性处理对复合材料的层间剪切性能和吸水性能的影响.陈旭等[12]研究了苎麻织物增强不饱和聚酯复合材料的光老化性能.展江湖等[13]研究了纤维含量对苎麻聚乳酸复合材料性能的影响规律，并揭示了纤维增强机理.张旭锋等[14]对比分析了苎麻单向织物、平纹、斜纹、苎麻/玻璃纤维混编织物四种结构复合材料性能的差异.
随着工业的不断发展，单一的纤维增强复合材料已经难以满足生产需求.为此，多种纤维混杂增强复合材料受到了越来越多的关注.Saidane等[15]利用声发射技术评估了玻纤-亚麻纤维混杂复合材料的破坏机制，即：基质开裂、纤维基质剥离和纤维失效.Cihan等[16]研究了亚麻纤维编织布和E级玻纤混杂复合材料的机械动态性能.梁行[17]研究了纤维铺层结构、纤维百分比、纤维铺层角度等变量对剑麻-玄武岩纤维增强聚乳酸复合材料性能的影响.阮芳涛等[18]研究了叠层顺序对回收碳纤维/苎麻混杂增强高密度聚乙烯复合材料的冲击强度、拉伸强度的影响.
本实验选用了玄武岩织物、苎麻织物、聚乳酸三种可降解材料，通过模压成型工艺制备了复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.苎麻纤维强度低且吸水性较强，通过加入玄武岩纤维来提高复合材料的强度和防水性，而玄武岩纤维为脆性材料，通过加入苎麻纤维能提高复合材料的韧性.
1实验部分
1.1材料与仪器
材料：聚乳酸，密度1.24g/cm3；苎麻织物，平纹，单位面积质量为140g/m2；玄武岩织物，四枚斜纹，单位面积质量为330g/m2.
仪器：电热恒温鼓风干燥箱DHG-9420A（上海一恒科技有限公司）；程序控制压片机SY-6210-B（东莞市世研精密仪器有限公司）；织物强力仪YG(B)026HC-500（莱州元茂仪器有限公司）；视频显微镜SPX-200H（深圳市星明光学仪器有限公司）.
1.2聚乳酸基体的准备
将聚乳酸粒料置于80℃的恒温鼓风干燥箱中干燥2h.均匀铺放在厚度1mm的压片机模具中，制成聚乳酸薄板.其工艺条件为：上下层板温度195℃，预压压力0.6MPa，预压时间4min，热压压力7MPa，热压时间4min，排气5次，停顿时间4s，排气加压时间4s，上下区冷却时间10min.
1.3复合材料的制备
将玄武岩织物、苎麻织物均剪裁成尺寸为20cm×20cm的样品，放在80℃的恒温鼓风干燥箱中干燥2h，去除水分.
复合材料的制备采取模压成型工艺，主要包括铺层、模压两部分.本实验中织物增强体采取的铺层方式有三种：非对称铺层R/B、对称铺层R/B/R、对称铺层B/R/B，其中R为苎麻织物（ramiefabric)，B为玄武岩织物（basaltfabric），织物与织物经向一致，且织物之间均夹持着聚乳酸（PLA）薄板，如图1所示.
图1 织物铺层方式
铺层好的材料置于压片机模具中，模具表面均铺设一层油布，以便于后续顺利脱模.模压工艺参数为：上下层板温度180℃，预压压力0.6MPa，预压时间10min，热压压力4MPa，热压时间为20min，排气5次，停顿时间4s，排气加压时间4s，上下区冷却时间10min.
1.4拉伸性能测试
按照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T1447-2005）将制备好的复合材料裁剪成哑铃形.采用YG(B)026HC-500型强力仪测试材料的拉伸性能，每组测试有效数据不少于5个，取其平均值.测试在室温下进行，实验速度为5mm/min.
2实验结果与分析
2.1热压时间对复合材料拉伸性能的影响
为探究热压时间对复合材料拉伸性能的影响，对苎麻/玄武岩（R/B）织物非对称铺层复合材料设置了四种热压时间，其拉伸性能测试结果如图2所示.热压20min后，复合材料的断裂强力、断裂伸长率均先增后减，当热压时间超过30min后，复合材料的断裂强力急剧下降.
图2 热压时间对复合材料拉伸性能的影响
不同热压时间下复合材料的表面形貌如图3所示.热压时间为25min时，复合材料表面较平整，聚乳酸薄板热熔后能充分与织物混合，玄武岩织物面的外观如图3(a）所示.当热压时间为35min时，玄武岩织物面外观仍平整，表面无明显气泡，但苎麻织物面出现严重的气泡现象，且有裂纹，如图3(b）所示.
图3 非对称铺层复合材料的表面形貌
2.2聚乳酸含量对复合材料拉伸性能的影响
为探究聚乳酸含量对苎麻/玄武岩（R/B）织物非对称铺层复合材料拉伸性能的影响，通过调整聚乳酸母粒的质量制得四种含量的复合材料试样，其拉伸性能测试结果如图4所示.纯聚乳酸薄板经受拉伸时其断裂强力仅为539N，随着织物的混杂，聚乳酸含量降低，复合材料的断裂强力及断裂伸长率均明显提升，这说明玄武岩织物、苎麻织物的混杂起到了增强的作用.当聚乳酸含量分别为60%、70%、80%时，复合材料的拉伸断裂强力先增后减.这可能是因为聚乳酸含量较低时，受热熔融的聚乳酸不能完全包覆纤维，导致部分纤维处于裸露状态.当聚乳酸含量过高时，复合材料经受拉伸时主要受力对象为聚乳酸，纤维的增强作用无显著变化.
图4 聚乳酸含量对复合材料拉伸性能的影响
2.3铺层方式对复合材料拉伸性能的影响
在热压时间为25min，聚乳酸含量为70%时，两种对称铺层方式复合材料的拉伸性能测试结果如表1所示.苎麻织物处于芯层的B/R/B复合材料的断裂强力、断裂伸长率均高于玄武岩织物处于芯层的R/B/R复合材料.
表1 两种对称铺层复合材料拉伸性能
在非对称铺层R/B复合材料的拉伸实验中，苎麻织物层先于玄武岩织物层发生破坏并出现裂纹，苎麻织物层的破坏导致周围材料应力的重新分布，一部分应力会传递到玄武岩织物层.在对称铺层B/R/B中，苎麻织物处于芯层，织物正反两面均被拉伸强度较高的玄武岩织物包覆，当苎麻织物受拉伸发生破坏后，两面玄武岩织物的存在可以较好地控制裂纹的扩大；在对称铺层R/B/R中，苎麻织物处于表层，织物仅一面被玄武岩织物包覆，应力传输效率相对较低.因此，玄武岩织物含量较高的B/R/B复合材料的拉伸性能较R/B/R复合材料好.
3结论
以可降解材料玄武岩织物、苎麻织物为增强体，以聚乳酸为基体，采取模压成型工艺制备了混杂复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.
(1）随着热压时间的增加，玄武岩/苎麻混杂复合材料的断裂强力、断裂伸长率均先增后减，当热压时间为25min时，复合材料的拉伸性能最佳.而当热压时间超过30min后，复合材料的断裂强力急剧下降，苎麻织物层出现大量气泡且有裂纹.
(2）纯聚乳酸薄板拉伸性能较差，玄武岩织物、苎麻织物的混杂使复合材料的断裂强力及断裂伸长率均明显提升.当聚乳酸含量为70%时，复合材料的拉伸性能最佳.
(3）苎麻织物处于芯层的B/R/B复合材料的断裂强力、断裂伸长率均高于玄武岩织物处于芯层的R/B/R复合材料，因此在制备混杂复合材料时宜将强力弱的材料铺在芯层.
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文章摘自：谭冬宜，杨邵蓉，曾双穗等.玄武岩/苎麻增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版)，2023，33(02)：62-66.DOI：10.15987/j.cnki.hgbjbz.2023.02.003.
