剑麻纤维聚乳酸复合材料之制作及特性研究

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1、剑麻纤维聚乳酸复合材料之制作及特性研究第一章绪论1.1研究背景纤维增强聚合物基复合材料开始于1908年的纤维素纤维增强酚醛树脂，20世纪40年代出现了用于日常用品的玻纤增强不饱和树脂复合材料，例如吉他、网球拍、汽车等。随着全球可持续发展的迫切要求与人们环保意识的日益增强，传统纤维增强聚合物基复合材料的发展与研究受到负面评议，如玻纤、碳纤维、芳香族纤维增强不饱和聚酯、聚亚安酯等复合材料不具备可生物降解性能，而且其原料属于不可再生资源。而具有可生物降解性与可再生性的天然纤维日益受到关注，天然纤维代替传统纤维增强复合材料，为全球

2、能源危机找到了一个解决办法。天然植物纤维如麻、棉、丝等具备密度小、比强度高、比刚度高、柔韧性好、绝缘、隔热、表面相对粗糙等特点，并且价廉、资源丰富、可回收、可降解、可再生。因此，近年来天然纤维作为增强纤维被广泛应用于复合材料的制备过程中[2,3]。目前，市场已有多种可生物降解的聚合物出售，但是由于价格昂贵而大大限制了这类材料的广泛应用。利用天然纤维比强度高、质轻价廉、可再生、环境友好的优点，天然纤维增强可生物降解聚合物复合材料，不但可以根据不同的应用需要进行量体设计，大大降低可生物降解塑料的价格，而且具有良好的力学性能。生

3、态复合材料的研究与开发不但会是21世纪研究与发展热点，也将是全球研究者在工程应用材料方面的新挑战。总体来讲，市场上的植物纤维复合材料主要以木塑板材为主，其他纤维复合材料产品开发不足，主要是由于植物纤维与聚合物基体材料之间的界面性能难以达到理想的程度。同时，植物纤维复合材料的生产工艺，预处理工艺的创新改进，专用设备的开发还需要进一步加强。1.2植物纤维植物纤维是天然纤维的一种，是自然界生长的纤维材料之一。植物纤维主要是指在自然生长的植物中提取的纤维材料，是一种价格低廉，密度小，机械性能较高，广泛，符合可持续发展的可再生资源。

4、另外，植物纤维还可来自农产作物，原料供应充足，可促进农业发展。近年来植物纤维作为一种增强材料用于工业化生产，实现废弃物再利用，进一步推动农业发展与农民致富。植物纤维按照其在植物中的部位可分为：叶部纤维（如剑麻、凤梨叶纤维）、韧皮纤维（如大麻、亚麻、苎麻、洋麻）、种子纤维（如棉纤维）和果实纤维（如椰壳纤维）。按照植物纤维增强体的形态又可分为：麻纤维（如剑麻、苎麻、大麻、黄麻、椰壳纤维等），草茎纤维（如秸秆纤维、竹纤维等），木纤维（如木粉增强体）。麻纤维的纤维形态是细而长的丝线，较为柔软，又称为软纤维；草茎纤维的长度较短，而且

5、长度比较稳定，又称为等距纤维；木材已经作为木纤维的一种来制作复合材料；近些年来，木纤维又以木粉增强体形式用来制作各种板材。1.2.1植物纤维的化学组成与结构植物纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等几种物质组成。麻纤维原麻中的纤维素含量在40%~75%，其余是非纤维素成分，而且经过NaOH浸后的麻纤维，其纤维素含量会增大，可称为纤维素纤维。几种常用植物纤维的化学成分见表1-1。从结构上看，植物纤维分为细胞壁和细胞腔；细胞壁又分为初生壁和次生壁，以剑麻纤维结构为例，如图1-1所示。初生壁是由稀疏、无规排布的纤维素微原纤构

6、成，其留下的间隙则为果胶、半纤维素和木质素所填充；次生壁则由一定取向、宽窄不一的纤维素原纤构成，而这些纤维素原纤则包含着数目不等的纤维素微原纤、其间隙为半纤维素、木质素所填充。纤维素微原纤大约含有60-80根纤维素大分子，相邻分子之间可以形成氢键，此空间为结晶区，其余空间则为无定形区。成熟的细胞壁外表面是通过一层木质素、果胶和蜡状物质与其它的细胞相连接。植物纤维的强度主要由纤维素微原纤提供，纤维素微原纤沿纤维轴螺旋绕曲排列（如图1-2），原纤与轴向的夹角越小则纤维沿轴向的强度和硬度就越高。1.2.2植物纤维的物理特性和应用

7、1.2.2.1植物纤维的物理特性植物纤维的生长环境和气候会影响到植物纤维的物理特性。而且，同一根植物纤维由于所处植株的部位不同，其性能也有很大差别，这些都影响到植物纤维本身的不均一性。另外，由于植物纤维内部结构与组成的复杂性，植物纤维的强度不能直接与纤维素的含量和微纤螺旋角联系。植物纤维的、生长年数、分离技术、水分含量、测试技术等都会影响到植物纤维的强度。而且植物纤维中的木质素含量和胶质等杂质的含量对植物纤维的结构和性能也有很大影响[6--15]。植物纤维的物理特性主要包括植物纤维的细度如直径、截面面积等，纤维长度，密度，

8、吸湿性，力学特性等方面。一些常见植物纤维与传统纤维的物理特性对比见表1-2.第二章剑麻纤维表面处理及其性能研究2.1剑麻纤维简介剑麻纤维是从龙舌兰科植物剑麻作物的叶部经过一系列化学处理提取而得的叶纤维。具体提取程序过程见图2-1[82]。一棵剑麻植株大概有200-250片叶子，一片叶子含有微束大约100