工业用大麻纤维增强复合材料研究

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1、工业用大麻纤维增强复合材料研究张建春1，郝新敏1，郭玉海2(1．总后勤部军需装备研究所，北京100088；2．上海新特纺织材料研究中心有限公司)摘要采用半脱胶方式，使大麻纤维表面残留部分蜡质，增加了与树脂体系的相容性。探讨了大麻抗菌原理，为研制天然抗菌型复合材料奠定基础。研制了无纺毡和棉条加工设备、大麻纤维造粒小样机，改进了挤出模压设备。研究了大麻纤维粒子、无纺毡等增强复合材料的性能，所研制的复合材料达到了军用空投箱的要求。关键词：大麻纤维增强复合材料纤维粒子无纺毡1前言合理利用自然资源，维持自然系统的平

2、衡，减少环境污染，是可持续性发展战略的重要内容。石油属不可再生资源，废弃的塑料制品形成严重的“白色垃圾”。木材虽是可再生的资源，但一般的木材都是多年生植物，乱砍乱伐引起严重的生态和环境问题。而农业资源中的植物纤维(叶子纤维、木质部纤维、韧皮纤维、果实纤维)则是一种丰富的原材料资源，属环境友好、无污染、可再生、可降解循环生物质原料。因此，基于资源、环境和价格的考虑，天然纤维复合材料则可以充分利用天然纤维和可循环利用塑料的优势，加工出可以替代木材，甚至替代玻璃纤维增强热塑性塑料复合材料的材料，在建材、汽车、装

3、饰和运输等行业具有广阔的应用前景。目前，天然纤维增强复合材料也有少量应用的例子。福特公司率先用大麻纤维和BioforeeHemp450牌短切大麻纤维毡，以RTM成型高顶FordTransit封闭货车厢里的FRP行李架。效果令人满意。英国的Concargo复合材料模塑公司已采用RTM工艺为FordTransit运货卡车开发了一种长植物纤维增强的复合材料包装搁板，但工艺尚需进一步完善。但该技术大都处于研究阶段。研究人员对黄麻、亚麻、大麻等纤维增强复合材料作了一些探讨，取得了有意义的结论【卜6J：(1)为提高纤

4、维含量和解决落麻纤维在复合材料中的分散问题，采用纤维无纺毡是一种较好的方式。(2)亚麻纤维毡增强复合材料与玻璃布增强复合材料的强力和模量相比较低，这主要是因为研究中采用的增强材料加工方法，增加纤维的体积含量有一定的困难，使得亚麻纤维毡增强复合材料的纤维体积含量远低于玻璃布增强复合材料的纤维体积含量；其次是由于亚麻纤维在强力和模量上与玻璃纤维有较大的差距。(3)对于天然纤维与丙烯酸基环氧大豆油树脂的复合材料，当天然纤维含量在20％。55％范围内时复合材料的柔性模量可达2～6GPa．而编织好的E一玻纤与相同树

5、脂制备的复合材料的模量可达17GPa。(4)短大麻纤维与不饱和聚酯树脂复合材料，当长径比为60的纤维含量为25％时，复合材料的模量为5．23GPa，冲击强度为16．79MPa；当大麻纤维含量相同，而长径比为125时，模量和冲击强度分别为8．65GPa和10．08MPa。同样情况下，E一玻纤增强不饱和树脂的复合材料的模量和冲击强度分别为7．8GPa和34．7kJ／舒。可以看出，短的大麻纤维增强不饱和聚酯树脂的模量与玻纤的效果相近，而冲击强度值只有玻纤的三分之一。作者简介：张建春，材料学博士。现任总后勤部军需

6、装备研究所总工程师，高级工程师，四川大学、北京化工大学、上海东华大学博士生导师，主要从事功能高分子材料和特种防护材科研究。曾获国家科技进步一等奖1项，二等奖1项，国家科技发明二等奖1项，军队科技进步一等奖7项，二等奖7项。发表学术论文100多篇，6篇ScI收录、9篇被Ⅱ收录、13篇被CSCD收录。获国家专利26项。专著6部。769大麻纤维增强复合材料的难点在于：纤维与树脂间的相容性、纤维含量和分散等问题。本研究通过对大麻纤维的特性研究。探讨了大麻纤维替代玻纤作为纤维增强复合材料的基础，并探讨了大麻在复合材

7、料中的添加方式及其对复合材料的影响。2大麻纤维增强复合材料的性能特点2．1大麻纤维成分分析大麻纤维微观结构具有独特性，它的细胞长度和宽度根据不同种类从(0．5×104)ttrn一(5×104)tun不等，宽度为20～50tma。其横截面为有中腔的腰圆形或多角形，纵向有横节和竖纹。大麻纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等组成(见表l和表2【7,8J)，其机械性能随其生长条件和种植时间不同而变化，但因其组成和结构特点及连续长度较长等原因，在天然纤维类材料中具有较高的强度和可加工性，用于衣着、装饰或特殊产

8、业制品。具有较好的吸湿性和透气性。麻类纤维的微结构表现出典型的复合材料特征，这说明麻类纤维是天然的复合材料。表l麻和竹等天然纤维的化学组成表2纤维素、木质素和半纤维素等的组成2．2力学性能复合材料的特点之一是具有高的比强度和比模量。表3和表4给出了麻类纤维与其它纤维的力学性能【9]9。从中可以看出，虽然麻天然纤维的拉伸强度和模量都比玻璃纤维的低，但通过改性和改变加工方法可以达到或接近玻璃纤维的性能参数。苎麻纤维的比强度与玻璃纤