玄武岩纤维混杂汉麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及其性能研究.pdf

摘要

玄武岩纤维混杂汉麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及

其性能研究

摘要

近年来，天然纤维增强复合材料因其环保性、低成本在工程材料中得到了广泛

的应用。然而，尽管天然纤维增强复合材料在环境影响和成本方面具有一定的优势，

但其力学性能却不尽人意，各项性能通常低于合成材料。因此，将天然纤维与矿物

纤维（如玄武岩纤维）混杂，可以拓宽天然纤维增强复合材料的工业应用。将此作

为一种解决思路，本文研究制备了玄武岩纤维混杂汉麻纤维增强复合材料层压板，

以获得更优异的力学性能，同时保持较低的成本和显著的环境效益。

基于混杂纤维复合材料的制备方案，本文从汉麻纤维脱胶处理、玄武岩纤维界

面改性以及混杂复合材料的制备三个方面进行研究：一是提出一种自然冷冻-机械脱

胶处理的方法用于汉麻纤维脱胶，旨在降低VOC释放量、改善纤维与基质间的界面

结合性能，进一步提升材料的力学性能；二是基于天然麻纤维复合材料力学性能较

差的问题，为进一步推动天然麻纤维复合材料的应用，考虑通过添加玄武岩纤维混

杂的方式来提升其力学性能，并对玄武岩纤维进行表面改性；三是制备了混杂复合

材料，探究了汉麻纤维比重、玄武岩纤维规格以及玄武岩纤维改性对复合材料力学

性能的影响。研究结果显示：

汉麻纤维经自然冷冻机械脱胶处理后，木质素、半纤维素含量明显降低，得到-

的纤维表面粗糙，表面积较大。汉麻纤维的热性能有所提高，热稳定性提升。另外，

经脱胶工艺处理后的汉麻纤维的VOC释放总量有显著下降，脱胶前后苯系物的释放

量都较低，而甲醛、乙醛和丙烯醛的释放量大幅下降。玄武岩纤维经深冷处理后，

纤维表面有明显改善，出现了部分凸起。不同浓度的KH550硅烷偶联剂对纤维表面

改性的效果不同，随着KH550溶液浓度的增大，玄武岩纤维表面凸起逐渐增大，表

面粗糙度也随之递增。与原玄武岩纤维预浸料相比，深冷处理后的玄武岩纤维预浸

料的拉伸强度提升了10%，随着KH550溶液浓度的增大，纤维预浸料的拉伸性能先

I

吉林大学硕士学位论文

增大后减小，1.0%KH550溶液改性处理的玄武岩纤维预浸料的拉伸性能最高，提升

了20%以上。

将经处理的汉麻纤维和聚乳酸纤维制成毡材，再与玄武岩纤维预浸料层压成型

o

制备成混杂复合材料。成型工艺参数为温度185C、压力9MPa、时间6min。对复

合材料进行了力学性能表征，含有玄武岩纤维增强的混杂复合材料力学性能大幅提

升。随着汉麻纤维比重的增加，力学性能先增大后减小，在汉麻纤维比重为40wt%

时达到最大值。深冷处理的玄武岩纤维增强的混杂复合材料与未处理的相比，拉伸

强度提升了10.2~14.1%，最高达到158.41MPa，弯曲强度提升了19.1~31.2%，最高

2

159.02MPa17.4~53.1%33.15kJ/m1.0%KH550

达到，冲击强度提升了，最高达到。

表面改性处理的玄武岩纤维增强的混杂复合材料与未处理的相比，拉伸强度提升了

14.7~28.5%，最高达到181.22MPa，弯曲强度提升了35.4~44.6%，最高达到180.58

2

MPa，冲击强度提升了148.1~192.1%，最高达到61kJ/m。这说明深冷处理和硅烷偶

联剂处理在一定程度上提高了玄武岩纤维的界面结合性能，从而进一步提升了力学

性能。未处理的多轴向玄武岩纤维增强的混杂复合材料与未处理的单向玄武岩纤维

增强的混杂复合材料相比，力学性能没有提升反而有所降低。分析复合材料的断面

微观形貌，进一步解释了汉麻纤维比重、玄武岩纤维规格以及玄武岩