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植物纤维材料的渗透性以及力学性能

摘要：小直径的植物纤维-般具有较高的力学性能，但相对于大直径的植物纤维，其渗透性相对较低。通过对这两种植物纤维的杂交，可以获得既具有高透水性又具有良好力学性能的复合材料。本文通过黄麻/苎和苎织物在真空辅助树脂传递模塑过程中的流率比较了渗透性，并讨论了其复合材料的力学性能。乙烯基酯树脂的流速越快，说明黄麻/苎纤维比纯苎纤维具有更高的渗透性，这是因为黄麻织物的流动空间越大，所以毛细效应越大。杂化复合材料的拉伸强度和夏比冲击强度均略有下降，由于黄麻纤维的性能比苎纤维的低，进而因为纤维的特性支配了失效模式。然而中间层远离了弱黄麻-苎界面，因此层间剪切强度基本保持不变。研究结果揭示了在工业应用中考虑生产效率的情况下，提高植物纤维增强材料的渗透性的方法。

关键词：植物纤维；混杂复合材料；渗透性；力学性能；真空辅助树脂传递模塑

1. 介绍

与玻璃纤维增强复合材料相比，植物纤维增强复合材料（PFRC）更加便宜、环保且具有明显较高的力学性能，PFRC成为了运输行业的新兴材料比如用于行李箱的面板和手套式操作箱。在运输中使用PFRC的另一个优点是其重量轻，可以减轻车辆或飞机的总体质量，从而减少其燃料消耗，进而对环境做出巨大贡献。真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺因为操作简单和低成本通常用来制备高品质、大尺寸的PFRC制品，进而降低生产成本。在VARTM制造过程中，增强剂的渗透性是一个特别重要的参数。

与合成纤维相比，植物纤维的纤维微观结构、纱线和织物结构以及与树脂的化学相互作用都不同，这也就是植物纤维与合成纤维渗透性不同的原因。考虑到相同的孔隙率，黄麻纤维剑麻纤维笔玻璃纤维具有更高的渗透性，这是由于植物纤维产生了更多直接的树脂流动通道。此外，植物纤维的内腔和粗糙扭曲的表面为树脂的微流动提供了更多的毛细通道，这些通道产生的毛细压力比合成纤维要高两倍或三倍。然而，植物纤维的吸收和溶胀在一定程度上降低了它们的渗透性。实际上，增强剂的较低渗透性可能导致复合材料内部较高的空隙含量，并且还导致延长的注入时间，尤其是在低压注入过程中。

已经进行了许多努力来提高增强材料的渗透性，例如降低纤维体积分数或改性纤维以获得更好的润湿性。然而，这些方法可能会削弱复合材料的机械性能，或者会增加制造成本。通过与另一种具有高渗透性的增强材料混合来改善一种增强材料的低渗透性可能是一种有效的方法，已被广泛用于合成纤维。Polybeam730和S51遮阳布用来作为高渗透性材料，分别用来加快像Heider et al.和Yoon et al.操作的玻璃织物的灌注过程。但是，由于两种不同材料之间的界面较弱，因此添加这些高渗透性材料通常会对制造的复合材料的力学性能产生某些不利影响，尤其是对于层间性能。

不同植物纤维的力学性能因其自然生长时结构不同而异。例如，由于苎麻和亚麻纤维的直径和内腔尺寸较小，它们具有更好的力学性能。但是，由于它们的流动通道较小，这些织物的渗透性相对较低。其他一些植物纤维具有较大的纤维直径和内腔尺寸，例如黄麻纤维和剑麻纤维，这可能会导致其织物的高渗透性。然而，由于较大直径的纤维引起的更多缺陷，这些纤维的机械性能还不够高。因此，将这两种植物纤维织物组合在一起可以产生用于复合材料的增强材料，该材料既具有高渗透性又具有良好的力学性能。这项工作的目的是研究苎麻织物与黄麻织物的混合对混合复合材料的渗透性和力学性能的影响。宏观和微观上都揭示了这种机制。这种杂交方法还为工业中的PFRC制品提供了有效的制造过程。

1. 实验
   1. 用料

平纹梭织苎麻织物和黄麻织物分别由Hunan Huasheng Dongting Ramie Textile Co.,Ltd和Anji Zhengxing Fabric Co.,Ltd提供。苎麻和黄麻织物的基本参数和宏观视图分别显示在表1和图1中。EPOVIAreg;RF-1001乙烯基酯树脂（VE树脂）由Sino Composite Co.，Ltd提供。通过VE树脂，0.67wt％的异辛酸钴促进剂和1wt％的MEKP硬化剂混合树脂体系。该树脂在25℃下的粘度为192.5mPa·s，密度为1.1 g / cm³ 。

表1麻和黄麻织物的基本参数

图1（a）苎麻织物和（b）黄麻织物的宏观比较

• 1. 复合层压板的制造

复合材料层压板使用VARTM工艺制造。实验装置如图2（a）所示，其中用真空袋密封堆叠的织物，并沉降两个管以分别提供真空和树脂。使用精密计时器和记号笔记录树脂的流动时间和流动前沿位置。在-0.1 MPa的恒定压力下将VE树脂吸入真空袋。记录时间，即树脂流到达表面分布介质的末端，并从那时起每30秒标记一次流前沿位置，如图2（b）所示。VARTM工艺在25°C和58％相对湿度下进行。

图2（a）VARTM制备图和（b）渗透率测量方案

如表2所示，制造了四种类型的杂化复合材料，以研究杂化比对复合材料的渗透性和机械性能的影响。四种杂化复合材料总纤维体积分数（）为34plusmn;3%，固化的复合材料的厚度保持在3.7mm。

注入完成后，将浸渍的织物在环境温度下在真空条件下保持24小时。然后，将所得体系置于50℃的烤箱中3小时，以使其完全固化。

表2不同混合比的四种混合复合材料

• 1. 渗透率运算

用改良的单向Darcy定律方程式（1）和（2）计算渗透率，并且考虑到毛细作用 。

（1）

(2)

是流体粘度，是注射压力，是毛细压力，是渗透率张量，是增强材料的自由孔隙率等于，其中是纤维体积分数，是流到前沿的距离的平方，是相应的流动时间，是纤维的直径，是树脂的表面张力，是树脂和纤维之间的接触角，是取决于流动方向的无因次系数。在这项研究中，树脂流动主要由纵向纤维纱线而不是横向纱线主导，于是被假定为4.纤维和树脂之间的接触角通过拍摄黄麻和麻织物上的树脂滴来测量，并使用上海光学仪器厂（中国）的MiVnt图像分析软件进行分析。VE树脂的表面张力通过使用ZL-20自动界面张力计设备（Zibo Aiji Electric Co., Ltd., China）比较树脂和水的张力来测量。接触角和表面张力均在25℃下测量。

对于混合增强剂，一般来说被定义为描述组合毛细管黄麻和苎麻织物的效果。可以通过两种织物结合的毛细压力以及根据他们在增强材料总体积中的纤维比例来计算。同时使用等式2和等式3，可以计算两种类型的混合复合材料的毛细压力。

（3）

是黄麻织物的毛细压力，是对于整体加固剂的黄麻纤维的体积比例，是苎麻织物的毛细压力，是苎麻纤维的体积比。

• 1. 力学测试

根据ASTM D3039/D3039M，使用具有20kN的称重传感器和3.0034mV/V的校准的Wance ETM-C 2T测试机进行拉伸测试。对于每种类型的复合材料，以2mm/min的十字头速度测试了五个样本。标本的标称尺寸为250times;25times;3.7 mm³。使用上述试验机，根据ASTM D2344/D2344M进行短梁剪切试验。标本的标称尺寸为22.2times;7.4times;3.7mm³，跨度与深度之比为4：1。十字头速度为1mm/s。夏比冲击试验是根据ISO 179标准使用Instron Ceast 9350 HV试验机进行的。在测试过程中施加的冲击能量为20 J，冲击速度为2.75 m/s。标本的标称尺寸为68times;10times;3.7mm³。借助光学显微镜（Shangguang 10XB PC）观察植物纤维纱线及其增强复合材料的微观结构和破坏模式，并采用扫描电子显微镜（SEM，PHILIPS XL30 FEG）进行观察。

3.结果和讨论

3.1 黄麻和苎麻织物的多尺度结构和开放流道

图3显示了一种工业黄麻纤维和几种工业苎麻纤维的形态。可以看出，单根基本纤维呈现出管状外观，其中的开放通道称为内腔。黄麻纤维的内腔是圆形的，而苎麻纤维的内腔是扁平的。从杂化复合材料的横截面（图4（a））可以看出，黄麻纤维在微观上本身就是复合结构。十几根基本的黄麻纤维（平均16 micro;m）通过木质素，半纤维素和果胶相互连接，形成单根黄麻纤维或称为工业纤维（平均53 micro;m）。然后将数十种工业黄麻纤维加捻形成单根黄麻纱（图5（a））。与黄麻纤维不同，苎麻纤维由于其单细胞结构而具有较小的横截面积（图4（b））。如图4（b）和图5（b）所示，一根苎麻纱也被大量苎麻纤维（平均36 micro;m）加捻。

黄麻和苎麻纤维的多尺度结构为织物内部的树脂流动提供了额外的开放通道。图6清晰表示了在浸入过程中苎麻和黄麻织物的多尺度通道，包括纤维内腔的微通道，内纱开放通道和纱间开放通道。Li et al.测量的黄麻纤维和麻纤维的流明比率分别为24.3％和16.7％。根据单根纱线中工业纤维之间的开放通道，对黄麻纱线和麻纱线计算了十五根纱线的纱内孔隙度并取平均值，分别为54.2plusmn;9.7％和31.7plusmn;8.3％。至于织物的鳞片，将纱线之间的空间定义为纱线间开放通道。从表1中可以发现，苎麻织物的面密度是黄麻织物的两倍，这可能导致不同的渗透性。因此，计算出纱间孔隙率，其定义为纱间开放通道与整个织物之间的比率，黄麻和麻织物的比率分别为61.6plusmn;10.7％和53.4plusmn;10.2％。

图3（a）黄麻纤维和（b）几种technical麻纤维的SEM图像

图4 8RA 2JU杂化复合材料的光学显微照片

手稿

• • 1. 黄麻纱和（b）苎麻纱

图5（a）黄麻平纹织物和（b）麻平纹织物的SEM照片

图6黄麻和麻织物多尺度明渠的示意图

3.2 织物的渗透性

对树脂注入过程的观察表明，在整个预浸渍过程中，流动前沿保持笔直，既未发生纤维洗涤也未发生种族追踪，这表明所获得结果的可靠性。图7（a）显示了四种增强类型的前流位置与相应时间之间的关系。正如预期的那样，由于在上一节中讨论的三种不同规模下较大的流道，因此树脂在黄麻织物中的流动比在苎麻织物中的流动更快。黄麻织物的浸泡时间比230毫米的麻织物的浸泡时间短33％。与纯麻织物相比，添加黄麻织物明显加快了浸泡时间。12RA 1JU和8RA 2JU的注射时间分别减少了13％和30％。图7（b）显示了前部流动位置的平方与它们相应的流动时间之间的关系。使用最小二乘拟合对这些样地的坡度进行拟合。使用等式根据这些斜率计算四种类型的钢筋的渗透率。1.计算中使用的表面张力，接触角和毛细压力是通过第2.3节介绍的方法获得的，并在表3和表4中显示。四种类型的织物的渗透率也在表4中给出。

图7（a）前流位置及其对应时间之间的关系；（b）流动前沿位置的平方与其对应时间之间的关系

表3树脂与织物的

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