（纺织工程专业论文）黄麻纤维非织造物及其增强复合材料的研究.pdf

j 、 - 毒 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：兰红华色 日期：h 艚7 年 1 月，日 l 查丝奎堂堡主笙奎i 1 1 1 11l u l l l1 11iii i i t li l q l l q l l u l l li l i l l l l _ y 1814 5 0 9 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 z 保密叼，在季年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：兰1 甘砂， 日期：少垆7 月如， i i 秀心 指导教师签名：刃凡 醐7 铂盯日 ，、i，il 东华大学硕士论文摘要 黄麻纤维非织造物及其增强复合材料的研究 摘要 在我国绿色环保已经被提到可持续发展战略上来，积极利用天然 纤维制取易降解的材料是减少污染、合理利用资源的必然要求。麻类 纤维易种植，产量高，不会对资源造成掠夺性开发，产品废弃后能在 自然界中降解，符合环境保护和生态可持续性发展的要求。 本课题以黄麻为主要原料，利用短纤维干法成网方式制作了针刺 非织造物，并将非织造物为增强体，以热固性树脂为基体制作了复合 材料，主要研究复合材料含胶量对其力学性能的影响，及不同树脂基 体的复合材料的性能差异。另外，为了扩大复合材料的应用范围，本 课题对其阻燃性进行了初步的探索。 本课题复合材料成型研究主要工序：首先，黄麻纤维非织造物的 制备及相关工艺，具体分析黄麻的预处理、黄麻和涤纶的开松、混合、 输理、针刺的工艺参数。第二，非织造物与树脂基体的复合，具体分 析了不同的含胶量、不同的树脂基体对复合材料力学性能的影响，得 出黄麻环氧树脂复合材料的综合性能优于黄麻不饱和聚酯复合材 料的结论，其中厚度为2 5 m m ，增强体定重1 5 0 0 9 m 2 、含胶量4 9 8 6 的黄麻环氧树脂复合材料力学性能最好，拉伸强度为6 7 15 m p a ，弯 曲强度为8 0 2 4 m p a 。 为了扩大应用范围，课题还对复合材料的阻燃性能进行了初步的 i i i 摘要 探索，根据复合材料的特性，制定了两步实现阻燃的方案，复合材料 经阻燃整理后极限氧指数分别为3 5 ，4 0 ，可以达到日本标准j i s d 1 2 0 1 7 7 难燃一级。 关键字：黄麻纤维，非织造，复合材料，拉伸强度，弯曲强度，阻燃 i v 东华大学硕士论文 ，s t u d yo nt h en o n w o v e n s o fj u t ef i b e ra n di t s r e d 寸f o r c i n gc o o s i t e 队t e i u a l a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , g r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sa l r e a d yb e e n m e n t i o n e di nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a ls t r a t e g y i ti si n e v i t a b l et o p r o d u c et h ed e g r a d a b l e m a t e r i a lf r o mt h en a t u r a lf i b e ra c t i v e l yi no r d e rt o r e d u c et h ep o l l u t i o na n du s er e s o u r c e sr e a s o n a b l y t h el o n gv e g e t a b l e f i b r ei se a s yt op l a n ta n dt h eo u t p u ti sh i g h i tc a n n o tc r e a t et h ep l u n d e r i n g d e v e l o p m e n t t ot h er e s o u r c e s a n d ，i tc a nd e g r a d ei nt h en a t u r ea f t e rt h e p r o d u c tw a sa b a n d o n e d s o ，i tc o n f o r m st ot h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n dt h ee c o l o g i c a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h i st o p i ct a k et h ej u t ea st h em a i nr a wm a t e r i a l ，m a k eu s eo fs h o r t f i b e rd r y l a y i n gt op r o d u c en e e d l ep u n c h e dn o n w o v e n s a n d ，n o n w o v e n s a r eu s e dt ob ea sr e i n f o r c i n ga g e n t h a sm a n u f a c t u r e dt h e c o m p o s i t e m a t e r i a lt h a tt a k et h e t h e r m o s e t t i n gr e s i na st h eb a s a l t h ep a p e r r e s e a r c ht h er u b b e rp o l y m e rc o n t e n to fc o m p o s i t em a t e r i a la n di t se f f e c t o nt h e i rm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e a n d ，i tr e s e a r c ho nt h ed i f f e r e n t p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a lt h a tu s ed i f f e r e n tr e s i na st h eb a s a l b o d y m o r e o v e r i no r d e rt oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ec o m p o s i t et h i s t o p i ca l s oc a r r y ap r e l i m i n a r y e x p l o r a t i o no nf l a m e r e t a r d a n t v 0 1-0fi一、 东华大学硕士论文 t h em a i nw o r k i n gp r o c e d u r eo ft h i s p a p e rt h a tr e s e a r c ho nt h e s h a p i n go fc o m p o s i t ea r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h en o n w o v e n sa r ep r e p a r e d i ns o m er e l a t e dt e c h n i c s a n a l y z e t h ep r e t r e a t m e n to ft h ej u t e a n d ， a n a l y z et h eo p e n i n ga n ds c o t c h i n g ，m i x i n g ，c a r d i n g ，n e e d l ep u n c h i n go f t h ej u t ea n dp o l y e s t e r s e c o n d l y , t h en o n w o v e n sa n dt h er e s i nb a s a l a r e c o m p o u n d s p e c i f i c a l l ya n a l y z e dt h ec o m p o s i t e sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e i n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n tc o n t e n to fr u b b e rp o l y m e ra n dt h ev a r i o u so f r e s i nb a s a l io b t a i n e dt h a t j u t e e p o x y r e s i nc o m p o s i t e sh a v eb e a e r c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c et h a nj u t e u n s a t u r a t e dp o l y e s t e rc o m p o s i t e m a t e r i a l t h ej u t e e p o x yr e s i nc o m p o s i t e sh a st h em o s te x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a tt e n s i l es t r e n g t hi s6 7 1 5 m p aa n dt h eb e n d i n g s t r e n g t hi s8 0 2 4 m p a i t st h i c k n e s si s2 5 m m ，t h ew e i g h to fr e i n f o r c i n g a g e n ti s15 0 0 9 m 2 t h ec o n t e n to fr u b b e rp o l y m e ri s4 9 8 6 i no r d e rt o e x p a n dt h ea p p l i c a t i o n s c o p e ，t h i st o p i ca l s oc a r r ya p r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no nf l a m e r e t a r d a n t a c c o r d i n gt ot h ec o m p o u n d m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c ，i s e t u p t h e t w o s t e pp r o g r a mt o m a k e f l a m e r e t a r d a n tc o m et r u e t h el i m i t i n go x y g e ni n d e xo ft h ec o m p o s i t e m a t e r i a lt h a ta r ea r e rf l a m er e t a r d a n tf i n i s h i n ga r e35 a n d4 0 r e s p e c t i v e l y t h a tc a nb et ot h ed e g r e et h a ti st h ef i r s t - l e v e lo fj a n p a n e s e s t a n d a r dj i sd12 01 7 7 l a nh o n g y a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r oj i nx i a n g y u v i 东华大学硕士论文 k e y w o r d s ：j u t e f i b e r ，n o n w o v e n s ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a l ，t e n s i l e s t r e n g t h ，b e n d i n gs t r e n g t h ，f l a m e r e t a r d a n t v i i 琴 l - 东华大学硕上论文目录 目录 第一章前言1 1 1 麻纤维非织造物增强复合材料的研究背景1 1 2 麻类非织造的主要工艺2 1 2 1 针刺法2 1 2 2 热粘合加固4 1 2 3 水刺加固6 1 3 麻纤维非织造物增强复合材料的国内外研究现状7 1 4 课题研究的内容及意义1 0 1 4 1 课题研究的内容1 0 1 4 2 课题研究的意义1 0 第二章纤维的特性及物理性能测试1 1 2 1 麻纤维的特性与测试1 1 2 1 1 麻纤维的特性1 1 2 1 2 麻纤维的性能测试1 2 2 2 涤纶纤维的特性与测试1 3 2 2 1 涤纶纤维的特性：1 3 2 2 2 涤纶纤维的性能测试1 4 2 3 小结1 5 第三章麻纤维非织造物的制各及其性能测试1 5 3 1 麻纤维非织造物制备的工艺流程1 5 3 1 1 原料的准备1 5 3 1 2 纤维的开松和混合1 5 3 1 3 梳理成网工艺1 6 3 1 4 铺网工艺1 6 3 1 5 针刺加固工艺1 9 3 2 非织造物的性能测试2 2 3 2 1 面密度测试2 1 i 东华大学硕士论文目录 3 2 2 厚度测试? 2 2 3 2 3 拉伸性能测试2 2 3 3 小结2 3 第四章非织造物增强复合材料的制备及性能测试2 4 4 1 麻纤维非织造物环氧树脂复合材料的制备2 4 4 1 - l 实验条件2 4 4 1 2 原料2 5 4 1 3 成型方法与制备过程2 5 4 1 4 复合材料的力学性能测试2 7 4 2 麻纤维非织造物不饱和聚酯树脂复合材料的制备3 1 4 2 1 实验条件3 2 4 2 2 原料3 2 4 2 3 成型方法与制备过程3 2 4 2 4 复合材料的力学性能测试3 4 4 3 两种树脂基体复合材料的表面及断裂分析3 6 4 3 1 表面形态分析3 6 4 3 2 断裂机理分析3 8 4 4 小结4 0 第五章复合材料的阻燃工艺研究4 1 5 1 阻燃整理的方法4 1 5 1 1 添加阻燃纤维j 4 l 5 1 2 阻燃后整理4 l 5 1 3 树脂溶液的阻燃性处理4 1 5 2 阻燃剂的选择4 2 5 3 复合材料阻燃整理4 2 5 4 阻燃性能测试4 3 5 5 小结4 5 第六章结论与展望4 6 6 1 结论4 6 东华大学硕士论文目录 6 2 不足4 7 6 3 展望4 7 参考文献4 9 附录5 3 攻读学位期间发表的学术论文目录5 8 致谢5 9 材料是国民经济和社会发展的基础和先导，与能源、信息并列为现代高科技 的三大支柱。随着世界经济的快速发展和人类生活水平的提高，以及健康意识和 消费意识的增强与成熟，人们对材料及其产品的需求日益增长，且越来越认识到 环境问题的重要性，环境材料已成为国际高科技新材料研究中的一个新领域。各 国在研究具有净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物、资源再利用等 方面做了大量工作，并取得了重大进展【l j 。 目前，各个行业都致力于传统材料向环境材料的过渡或转型，绿色工程已经 以其不可阻挡之势迅猛发展起来。复合材料是适应现代科学技术发展而涌现出的 具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺组 合而成。复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，得到单一材料无法比拟 的综合性能。它具有刚度大、强度高、质量轻等特点，可根据使用条件进行设计 与制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高了工程结构的性能【2 】。天然纤维 复合材料由天然纤维和基体组成。纤维作为增强体分散在基体中，起最主要的承 载作用。目前已经把麻、竹纤维大量用作木材、玻璃纤维的替代品来增强聚合物 基体【3 】，与合成纤维相比，天然纤维具有价廉质轻、比强度和比模量高等优良特 性，最为关键的是天然纤维属可再生资源，可自然降解，不会对环境构成负担。 以天然纤维为增强体的复合材料同样具有优良的性能，随着技术的提高，应用领 域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海 工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭 办公用品等各个部门【4 j 。 在众多的天然纤维中麻类纤维的强度最好，与无机纤维相比密度小，回复能 大，而弹性模量和拉伸强度与其相近，在复合材料中可部分取代玻璃纤维。用天 然植物纤维作为复合材料的增强体，首先需要解决的是亲水性强的纤维与亲油性 强的基体之间的匹配问题；其次是天然纤维如何在基体中均匀分散的问题。近几 年来，把天然纤维作为复合材料增强体使用的研究主要集中在以下几个方面【5 】： 东华大学硕士论文第一章前言 纤维的表面处理机理和处理工艺的研究 6 1 ；与天然纤维匹配的基体树脂的 研究 7 1 ；天然纤维增强体的制备方法和工艺研究【8 9 1 ；天然纤维复合材料成 型工艺的研究【1 0 1 。其中，麻纤维的表面改性和增强体的制备是其中较为基础的 两个环节。 麻类植物易种植，不需化肥，收获期短，产量高。其纤维是集廉价，环保于 一身的绿色纤维。尤其在石油资源日益短缺、木材资源日益受到保护的2 1 世纪， 麻类可种植、易种植、不需化肥的特性正好满足环境可持续性发展的要求。 1 2 麻类非织造的主要工艺 非织造是纺织工业新的工艺技术，它具有许多其它纺织品不可比拟的突出性， 能，并被广泛应用于人类的衣食住行和各产业领域。新型非织造材料与计算机学 科、高分子材料学科相结合，综合了纺织、化工、塑料、造纸、印刷等技术，充 分利用了现代物理学、化学等学科的有关研究成果【1 1 】。麻纤维非织造布结构中， 纤维束缠结，而且彼此之间存在较大的摩擦力通过针刺工艺可以使纤网表面的 一法些纤维随刺针穿过纤网，同时由于摩擦力作用而使纤网受到压缩，犹如许多 的纤维束“销钉 钉入纤网，缠结力和摩擦力得到很大增强。在这种非织造布中， 纤维三维分布，呈现宏观有序、微观无序的状态。这种结构既不同于单向纤维增 强材料，也不同于短纤维增强材料。与二维织物相比，其结构中纤维的自由度大， 可以很容易地向三维各方向移动与伸缩，并且通过铺网层数可以很容易地改变厚 度。与相同厚度层合玻璃纤维平纹织物成型比较，非织造布的树脂预浸材料在模 压过程中不会出现象前者那样的层间滑移和织物折皱等现象，表现出良好的深度 模压成型性【1 2 1 。尽管目前麻纤维非织造材料是有限的，但是大量的研究表明， 麻纤维非织造产品的种类和数量日趋增多，其市场用途也在迅猛拓展。从目前对 麻纤维非织造布的开发可以看出，主要工艺集中在针刺法、热粘合、针刺与热粘 合两种工艺的结合及少量的水刺法上。 1 2 1 针刺法 针刺法占干法非织造布的4 0 以上，它完全是通过机械作用，即针刺机的刺 针的穿刺作用将蓬松的纤网加固的技术。针刺法的发展是同针刺机的革新联系在 一起的。上个世纪四十年代。英国人b y w a t e r 对老式针刺机作了重大改进后，为 2 东华大学硕士论文第一章前言 现代针刺技术的发展奠定了基础。五十年代美国j a m e sh u n t e r 公司制造的针刺 机，对主轴舍去偏心轮平衡机构作了改进，进一步提高了机器运行速度和生产效 率。六十年代奥地利f e h r e r 公司设计了第一台组合式全封闭传动机构的高速针 刺机，使之进入了现代针刺技术时代川。 针刺产品具有独特的风格，这是针刺法迅速发展的一个重要原因。针刺产品 强力可以达到很高，手感丰满，具有良好的透气性和滤水性。针刺产品用途包括 地毯、造纸毛毯、土工布、过滤材料、绝缘材料、医药卫生用品。 针刺非织造布的物理一机械性能受到纤维状态以及针刺密度、针刺深度、针 号等工艺参数的影响。对此，也有不少学者进行了研究。h e a r l e 从1 9 6 7 年就开 始对针刺过程进行研究。l u n e n s c h l o s s 则从1 9 7 1 年开始对针刺工艺进行研究。 前者主要研究的是种种工艺参数的单因素对成品的影响，后者则主要研究了各种 工艺参数同时变化对成品的影响。 h e a r l e 和s u l t a n 较早地研究了针刺过程中的针刺力。他们认为，针刺力随着 针刺深度的增大而增大，但增大到一定程度后又下降。纤维网的密度越大，纤维 的摩擦系数越大，则针刺力也越大。 l u n e n s h l o s s 后来进一步研究后认为，纤维长度越长，细度( 旦数) 越细， 卷曲度越大，针刺力也将增大。 b h a v e n e c hc g o s w a m i 和t a m e sb e c k 等则研究了纤维表面粗糙度、横截面 形状、细度与卷曲度、细度与纤维长度、卷曲度与纤维长度的交互作用对针刺力 影响也较大，而表面粗糙度、截面形状对针刺力的影响则较小。同l u n e n s h l o s s 的结论相同，他们也认为纤维细度越细，针刺力越大，其原因是由于细度越细， 则针刺时钩刺上带的纤维数越多，纤维缠结也越厉害，因而针刺力也越大。在纤 维长度越长时，卷曲度能显著影响针刺力，这是由于纤维较长时，卷曲度增大使 得纤维编结厉害，造成摩擦力增大。另外，当采用细旦纤维时，纤维长度增加能 增大针刺力，采用粗旦纤维，卷曲度增大则针刺力亦增大。 l u n e n c h l o s s 等人采用直接测量基布剩余强力和高速摄影法研究了针刺机刺 针的状态对基布强力的影响。他们发现，刺针的每一条棱上的钩刺数越多对基布 的破坏越大( 即剩余强力越小) ，对纤网的针刺次数越多，基布损伤也越大。但 刺针上带钩刺的棱边数越多，基布损伤则越少。其机理是当刺针刺向纤网时，每 东华大学硕士论文第一章前言 条棱的第一个钩刺都会带上纤网中的纤维，这些纤维将包缠棱上的第二、三个 钩刺。因而在刺过基布时，除了第一个钩刺外，其他钩刺由于纤维的包缠，对基 布的破坏较轻。因此，当带钩刺的棱越多，包缠在刺针上的纤维也越多，每条棱 上的第二、三个钩刺对织物的损伤会越少。他们还研究了三棱刺针的位置对基 布的影响。如果刺针只有两条棱上有钩刺，而且没有钩刺的棱逆着纤网运行方向， 则此时基布损伤最少。对普通刺针和钩刺加密刺针实验表明，加密刺针对基布损 伤较大，究其原因，他们认为这是由于刺针通道比较窄的缘故。对基布自身而言， 基布的挠曲性能越差，则其避开刺针的能力较差，损伤越大。他们还提出，由于 对基布的损伤主要是棱上的第二、三个钩刺造成的，所以加固纤网和基布时，最 好采用每条棱上只有一个钩刺的刺针，或者采用四角针和椭圆形针。 m a n s o u rh m o n h a m e d 等在研究过滤用非织造布时，分析了针刺工艺参数。 他除了得到与j o a q u i md e t r e l l 等人相同的结论外，还得到下列结论：非织造布单 位面积的重量随着针刺密度的增大而略有下降，透气量随着针刺密度增大而下 降，顶破强力随着针刺密度增大而增大【1 4 1 。 目前利用针刺法对麻非织造布的开发，主要集中在黄麻或者经过毛型化处理 后与丙纶纤维的混合原料做针刺地毯【1 5 j 。美国在2 0 世纪3 0 年代，将网状黄麻 用于控制水土流失。将包棉花的黄麻非织造置于斜坡上，预防种了种子的土地产 生土壤流失l 1 6 。 1 2 2 热粘合加固 热粘合加固是干法非织造布生产中仅次于机械加固、化学粘合加固的第三种 主要加固方法。所谓热熔法，是指在主体纤维中混入一定比例的热融材料( 热融 材料可以是热融纤维或热塑性聚合物粉粒，使用最多的是热融纤维) ，而这种热 融材料的软化点低于主体纤维。这样均匀混合并形成纤维网片后，纤维网片被加 热到接近热融材料熔点的温度，使热融材料软化、熔融。这样，当纤维网片冷却 时，热融材料就将主体纤维固结起来，从而形成非织造布【i 引。 热熔法并不是一种新的方法，这种形成织物的方法最早是由r a y m o n d r e e d 在1 9 4 2 年提出的u 7 j 。由于当时合成纤维工业还处于萌芽状态，r a y m o n d r e e d 最早采用的粘结纤维是纤维素醋酸酯，这种纤维的粘合性能较差。后来，随着合 4 东华大学硕士论文 第一章前言 成纤维工业的发展，出现了象尼龙6 、丙纶和氯乙烯这样的纤维，虽然这些纤维 并不是专门用做粘结纤维的，但为热熔法的推广开辟了前景。尼龙6 是一种很好 的粘结纤维，其缺点是熔融温度较高，成本亦高。而丙纶则克服了这些缺点。五 十年代中期，开始有人对热熔工艺中的粘结纤维感兴趣。1 9 5 6 年美国的现代 纺织杂志报道了杜邦公司的r e m o f f e t t 的一篇文章，介绍了实验用热粘结纤 维，如低熔点聚酰胺、聚酯、聚氯乙烯以及各种酯的共聚物。 近年来，由于合成纤维工业的发展，出现了双组分纤维，使热熔工艺进入了 一个新的阶段。日本窒素公司最早将e s 纤维打入市场，这种纤维是以聚丙烯为 芯，聚乙烯为皮层的热熔纤维。接着日本各大纤维公司纷纷推出自己的产品， 日本大和纺公司推出 n b f ”纤维，日本帝人公司的“t b s ”纤维也在试销中。继这 些公司之后，三菱粘胶公司开发了双组分均为p e t 的“m 一5 3 ”和以p e t 和聚乙 烯为成分的“m 一6 3 ”。美国杜邦公司的产品则是t 2 2 5 、t 2 2 6 ，其芯为p e t ，皮 层为1 3 0 以下可熔的共聚酯。恩卡公司的d i o l e n ，其芯为聚酯，皮层为1 3 0 以下可熔的聚乙烯。尤尼吉卡公司的m e l t y 2 0 8 0 、3 0 8 0 和4 0 8 0 ，其芯均为普通 聚酯，皮层为1 3 0 和1 1 0 可熔的共聚物，该公司的e l e v e s ，芯为聚酯，皮 层为聚乙烯，这种纤维加热到1 2 0 就可粘结，而且还有耐酸、耐碱、不易受放 射线照射等优点。 1 9 8 6 年1 0 月，美国佐治业州的亚特兰大市举行了国际非织造布会议，会上 一致认为在干法成网所占比例将下降的情况下，热熔法将保持高速增长势头。日 本大阪化学中心预测：在近期内热粘合非织造布的产量将超过化学粘合的产量。 而法国的纺织工业则报道，欧洲的非织造布产量增长很快，尤其是热粘合和 机械加固法进展迅速。热粘合方法之所以在近年来得到广大生产者的青睐，主要 有以下几个方面的原因： 节省能源，与传统的胶乳粘合工艺不同的是，热粘合不需要经过水蒸发工序， 其能源消耗比胶乳粘合低5 一1 0 ； 清洁性好，热粘合生产线所需的停机清洁时间少，而胶乳清洗则是一项耗时、 且增加污水处理负担的工作； ， 物理性能优良，热粘合非织造布较胶乳粘合物的强力高，柔软； 纤维含量高，热粘合非织造布完全是纤维成份，这一点对于装饰用布及服装 东华大学硕士论文 第一章前言 面料特别重要； 与传统的纺织工艺相比，还有产量高的优点； 设备简单，投资少。 在热粘合生产线中，需要有足够的热能传递给热粘结纤维，使之软化或熔融， 以形成粘合点。为了保证热粘合非织造布中的纤维状态，加热设备的温度控制必 须非常准确。目前加热设备可分为下面几类： 空气加热； 热蒸汽加热； 超声波粘合； 红外线加热。 其中热蒸汽加热的能耗大，但加热均匀，温度易于控制，红外线加热则温度 难以控制，目前生产上应用较多的是热空气加热。为了能准确地控制温度，传热 方式采用对流式，因此能调节送风量的圆网处理机和链板式热处理机在热熔工艺 中应用较多【1 4 1 。 在目前开发的麻类非织造布中，热粘合法是其中的一种主要方法。其产品可 作为农作物种子培养基，基质中可夹带肥料，这种培养基经过微生物作用可以自 然降解而还田，麻纤维的生物降解性能，可以改善土壤状况。 1 2 3 水刺加固 水刺法是非织造布加工中的新技术，是由美国在6 0 年代开始研究开发的。 它是在非织造布的射流打孔整理技术上发展起来的，在射流打孔整理中，利用许 多束极强的水流或气流垂直射向已经化学加固或其他形式加固的非织造布，打出 孔来，以改善非织造布的手感与外观。射流喷网加固技术中，则利用象针刺机刺 针一样排列的高压水流对铺放于托持帘网上的纤维网进行喷射，使纤维受到不同 方向射流( 直射与反射、折射) 的作用而相互缠结，因此纤网得到加固【1 3 1 。 俄罗斯是亚麻生产的大国，对亚麻的水刺技术的开发较早，目前在中国，水 刺的主要原料为棉纤维、粘胶纤维、聚酯纤维以及木浆纤维。大麻纤维是麻类纤 维中最柔软的一种，其单纤维的细度接近于棉，制作非织造产品时比较适合于水 刺加固。 6 东华大学硕士论文第一章前言 1 3 麻纤维非织造物增强复合材料的国内外研究现状 国外对麻纤维增强复合材料的研究开发工作开展较早。自6 0 年代起，国外就 将黄麻及其织物用来增强热塑性和热固性树脂。这种麻复合材料具有成本低、比 模量高、耐冲击、耐腐蚀、隔热、耐温、绝缘性好和废旧品可回收再生等优点【1 8 ，1 9 1 。 亚洲以印度等国的研究为主，印度作为黄麻的原产地和主要产地，在黄麻纤 维复合材料的研究方面一直走在世界前列，其绝大部分工作是将黄麻和橡胶复合 2 0 , 2 1 】，或者采用黄麻、剑麻、亚麻等纤维作为增强材料，与热固性和热塑性聚 合物复合，制成天然纤维聚合物复合材料制品，已开始工程应用。 欧洲关于这方面的研究以德国、英国、丹麦和意大利为主。自1 9 9 2 年以来， 欧洲已将麻纤维复合材料广泛使用在汽车上，特别是德国汽车制造商使用这种复 合材料更居领先水平，宝马、奥迪、克莱斯勒公司平均在每辆车上使用7 - - 一1 0 k g 这种复合材料，应用范围包括内衬件、标志板、座椅内板、货架以及音响板材。 其中奥迪已开发出由亚麻n 麻非织毡增强的聚氨酯( p u r ) 汽车内饰板，福特在科 隆的材料机构研发出用注射模工艺生产的散热格、发动机罩的亚麻p p 颗粒。一些 组件要比传统的玻璃纤维毡增强复合材料g m t 轻3 0 左右瞄川。 德国b a s f 公司采用黄麻、剑麻和亚麻纤维作为增强材料，与聚丙烯等热塑 性塑料复合，制备出麻纤维增强热塑性复合材料，其重量范围可以从5 0 0 一 1 8 0 0 9 m 2 变化，厚度在2 - 3 m m 范围内变化，比玻璃纤维增强热塑性材料轻，加 工方法也比较简单，生产成本较低。 b a y e r 与其子公司h e n n e c k e 公司合作开发了一种利用亚麻纤维增强聚氨基 甲酸酯生产汽车装饰物的技术。采用树脂传递模塑工艺( rtm ) ，用天然纤维垫生 产壁厚仅1 5 m m 2 0 m m 的部件，最终产品比那些用传统注塑材料生产的产品 约轻4 5 j 。 k a f u s 环境工业公司开发的洋麻增强材料，也用于汽车工业【2 4 1 。该种材料可 代替聚合物模板复合材料，如玻璃纤维增强塑料( g f r p ) 。该公司多年在欧洲汽车 工业的开发研究证明，洋麻纤维可与聚合物如聚丙烯结合用来生产汽车装饰部件， 如车门面板、座椅靠板、顶篷、行李盘。该公司用洋麻纤维生产的汽车内饰材料 7 东华大学硕士论文 第一章前言 正用于v o l v o ( 沃尔沃) 、s a a b 、r e n a u l t ( 雷诺) 和f o r d ( 福特) 汽车公司生产 的汽车中【2 5 1 。k a f u s 环境工业现在投资1 亿美元生产洋麻非织造毡、板产品，该 产品将首先用于北美的汽车工业公司。 荷兰科学家近年在黄麻纤维复合材料方面的研究取得了很大的突破，他们研 制成功的“麻塑粒子”含麻3 5 ，可以完全替代聚丙烯而且物理性能明显优于纯聚 丙烯，同时其制品可降解性大大提高，用途十分广泛【2 6 】。 荷兰的供应厂商为福特公司的 f o c u s ”牌汽车生产采用大麻纤维增强p p 材料 的发动机护罩，其质量比用玻璃纤维的材料轻3 0 。p p 的工艺温度( 1 9 0 。c 一- 2 5 0 c ) 与纤维素的降解温度( 3 0 0 。c ) 较为接近，基材的模压、面层复合和边料冲裁可一步 完成，无需粘胶和二次( 后续) 加工【2 2 1 。 比利时p r o c o t e x 公司在技术纺织品展览会上展出了一种以亚麻为基材的生 物复合材料【2 7 1 。它是用5 0 亚麻和5 0 聚丙烯混合制成的毡，毡厚2cm ，把它制 成压缩平板或模压成组件用于汽车工业。 美国的一些相关研究也追随着欧洲的步伐，采用压力模将红麻、亚麻、p p 纤 维的混合制成毡，该产品可用于轿车门板和卡车衬垫。还有一种木纤维增强材料 曾在伍德斯托克市生产，具有良好的抗冲击性能而且质量较轻【2 2 1 。 专利号为5 8 0 4 2 6 2 2 8 】的美国专利介绍，将大麻、剑麻或亚麻等切断成2 5 m m - 5 0 m m 的长度，或者将这些纤维加工成造纸工业中所采用的短纤维长度，再制成 纤维浆，生产麻纤维垫。专利中介绍了一种典型的汽车装饰板，如图1 一l 。它是 层合板结构，包括一个泡沫中心层，在它的两端有麻纤维构成的纤维絮垫层。中 心层提供整块装饰板的可成型性和强力。纤维絮垫层可使材料隔音并提供额外的 强力。 1 装饰外层：2 , 4 麻纤维垫；3 泡沫塑料；5 聚酯或粘胶非织造布；6 粘合剂 图1 一l 汽车装饰板结构示意图 8 东华大学硕士论文 第一章前言 整个板由装饰外层、麻纤维垫和一层泡沫塑料( 图l 一1 中的3 ) 组成。泡沫塑料 层的另一面是第二层麻纤维垫( 图1 1 中的4 ) ，装饰板的最内层是一层聚酯或粘胶 非织造布，这种聚酯或粘胶非织造布的特点是能阻止空气和液体的渗透。为了保 证这种装饰板复合坚固，不同层之间用粘合剂粘合在一起【2 5 】。麻纤维垫重量的不 同及中心泡沫层厚度的不同，最终的装饰板在强力和隔音性能上也不同。泡沫越 厚，麻纤维垫越重，装饰板强力及隔音效果越好。该材料用于车门面板，也可用 于汽车顶蓬。与过去采用玻璃纤维相比，天然麻纤维制作的这种汽车装饰板不易 引起皮肤的刺痒，且可赋予装饰板绝缘、坚固的特性。 我国起步比较晚，f 19 0 年代初期才开展高性能天然纤维复合材料的研究、开 发工作。目前，我国汽车行业也已经开始生产和使用不污染环境的麻纤维复合材 料汽车内饰件，“中华”牌轿车以其前卫的设计理念率先采用麻纤维天然材料制造 门板、顶棚、衣帽架和行李厢衬板等内饰产品【2 2 1 。河南固始华瑞汽车内饰件有 限公司生产的汽车专用聚丙烯麻纤维复合材料已获国家专利。长春佳林汽车内 饰材料公司生产的l o p r e f i n 也属于环保产品，它采用麻纤维为原料，在环保上具 有绝对的优势，该材料适合生产汽车内饰件覆盖层装饰材料、热塑成型的汽车内 饰件，如仪表板、车门内板、遮阳板、顶棚、帽架、地毯、行李架等 2 9 1 。 目前，各科研部门尤其是一些高校已经开始对麻纤维的复合材料进行较为深 入的研究。已见报道的有：剑麻纤维酚醛树脂复合材料；苎麻纤维增强不饱和 聚酯树脂复合材料；苎麻纤维增强聚氨酯泡沫及亚麻、剑麻、黄麻增强等增强聚 丙烯复合材料等等，其中增强体面密度一般为( 5 0 0 a ：2 0 0 ) g m e 。 在麻纤维非织造物及其增强复合材料的应用领域中，汽车工业具有广阔的发 展空间。汽车为适应现代社会的需要，正朝着轻量化、安全、节能、高速、低公 害和延长使用寿命方向发展 2 1 。汽车轻量化的目的就是节能和减轻排放污染。同 时环境保护已成为可持续发展战略必不可少的条件，而天然纤维复合材料的发展 趋势正朝着延长使用期以及可再生的方向发展，这都是对环境有益的。非织造材 料具有许多织造布无可比拟的优点，在汽车领域上的应用正在增长。据统计，北 美和欧洲汽车内饰件用纤维材料用量约为5 6 亿m 2 年，其中非织造材料占有相当 份额。如今在汽车中应用的基于非织造材料的零件已超过4 0 种，从空气、油过滤 介质到内饰材料等，内饰非织造材料包括声、热绝缘材料、结构件以及装饰件。 9 东华大学硕士论文 第一章前言 模压成形的非织造内饰件包括门内饰、行李舱盖板、车顶、车厢衬垫、座椅靠背 等。平均每辆汽车所用非织造材料约2 0 i n 2 ( 折合重量l5 k g 2 0 k g ) ，而且这一数字 还在继续增加。麻纤维比重轻、可制成轻质结构材料，在发生碰撞事故中，与玻 纤增强塑料件比其模压件不会产生锐利碎片，因而更安全，同时也不像玻纤会引 起皮肤及呼吸道过敏发应。采用天然纤维的热塑性或热固性模压件( 如车门板等) 已成为欧系轿车的标准配置【3 0 。3 4 1 。目前，欧洲已拟订法律，按照该法律在2 0 1 5 年前汽车用材料的回收率应达9 0 。 1 4 课题研究的内容及意义 1 4 1 课题研究的内容 本课题利用短切黄麻纤维，采用非织造梳理成网、针刺加固工艺制作了厚型 黄麻纤维非织造物，再将其作为增强体分别与环氧树脂和不饱和聚酯树脂复合制 成热固性树脂复合材料，通过对不同含胶量的复合材料进行力学性能的测试，分 析复合材料的含胶量与其力学性能的关系，并对复合材料的阻燃性进行了初步的 探索。 1 4 2 课题研究的意义 ( 1 ) 我国黄麻是继印度和孟加拉国之后世界黄麻及其制品的第三大生产国，选取 黄麻为原料，可以充分利用资源优势，且具有可再生性，在自然资源日益短缺 的今天开发利用麻纤维具有重要的现实意义； ( 2 ) 利用针刺方法加工非织造物工艺简单、生产周期短，不产生化学反应，对环 境污染小；制作复合材料，易于操作，可以节约成本； ( 3 ) 麻纤维的密度为1 2 1 1 5 3 9 c m 3 ，玻璃纤维密度为2 4 2 7 9 c m 3 ，且麻纤维 的成本低，因此，用它制得的复合材料价格低，重量轻，且可生物降解，在 汽车工业上有着良好的前景； ( 4 ) 通过对不同含胶量的复合材料进行力学性能的分析，为黄麻针刺非织造物增 强复合材料的深入研究和应用提供理论依据。 1 0 东华大学硕士论文 第二章纤维的特性及物理性能测试 第二章纤维的特性及物理性能测试 复合材料中的各组分虽然保持相对的独立性，但其性能不是组分材料的简单 组合，而是一种包括了物理的、化学的、力学的、甚至生物的相互作用的复杂结 合过程的结果。复合材料的性能取决于增强纤维、基体、复合成型工艺及其所形 成的界面特性。所以，了解各组分材料的物理性能是非常必要的。 2 1 麻纤维的特性与测试 2 1 1 麻纤维的特性 麻是人类最早使用的纺织原料之一，其纤维均具有强度高、伸长小、吸湿、 透气、透湿性较好的共性。麻纤维是从各种麻类植物中取得纤维的统称，是剥取 植物茎部的皮层纤维或叶子里的维管束纤维而得，是多细胞的长纤维。麻的种类 很多，但根据它的性质可以分为两类； 一类是从双子叶植物的茎部剥下的韧皮纤维，质地较柔软叫做软质纤维。这 类纤维又有木质、非木质之分。含木质较多的叫木质纤维，质地较粗硬，如洋麻， 黄麻和苘麻等。含木质较少的叫非木质纤维，质地比较柔软，适宜纺织加工，如苎 麻，亚麻，大麻等，其中苎麻的品质最为优良。 另一类是从单子叶植物的叶身或叶脉中取出的维管束纤维，如剑麻、马尼拉 麻、风梨麻等。这类纤维很粗硬称硬质纤维，一般不宜做纺织原剃3 5 1 。 世界黄麻的主要产地在印度和孟加拉国，这