位错对天然纤维力学性能的影响机理研究.pdf

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1、第27卷第1期1802011年1月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．1Jan．201l位错对天然纤维力学性能的影响机理研究戴达松L2，MiziFan2※，黄彪1※，陈学榕1，唐丽荣1，李素琼1(1．福建农林大学材料工程学院，福州350002；2．布鲁内尔大学工程设计学院土木工程系，伦敦UB83PH)摘要：天然纤维中的位错是纤维中最弱部分，对纤维的拉伸强度具有重大的影响。为研究位错对天然纤维力学性能的影响机理，本文采用了OM(光学显微镜)以及FEG．SEM对大麻纤维的位错进行了形态表征；

2、利用XRD和ATR-FTIR确定纤维的结晶度；通过ATR．FTIR谱图的分析以及解卷积分析，研究了位错处纤维素氢键，半纤维素以及木质素的脱除。结果显示，位错处微纤维角发生急剧变化，纤维结晶度低；位错从三个方面对天然纤维的力学性能进行影响：1)纤维素的氢键断裂，尤其是O(3)H--O(5)的分子内氧键断裂，降低了纤维素的结晶度以及纤维的应变能；2)半纤维素的脱除，导致细胞壁各层出现较为严莺的分层，使得纤维的组织松散，降低微纤维与木素之间的剪切应力转移；3)S-木质素的脱除，降低了木质素网络结构的强度，导致微纤维转移的剪切应力降

3、低。关键词：天然纤维，位错，红外光谱，氢键，G．木质素，S．木质素doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．01．029中图分类号：S563．3文献标志码：A文章编号：1002—6819(2011)--01—0180—06戴达松，giZiFan，黄彪，等．位错对天然纤维力学性能的影响机理研究[J】．农业工程学报，2011，27(1)：180—185．DaiDasong，FanMizi，HnangBiao，eta1．Investigationoftheeffectmechanismofdislocat

4、ionsonnaturalfibresmechanicalpropeaies[J】．TransactionsoftheCSAE，2011，27(1)：180一185．(inChinesewithEnglishabstract)0引言作为地球上来源最为丰富的自然资源与高聚物一天然纤维，正逐渐的成为主要的生产要素，而广泛应用于各生产领域。然而，在加工过程中由于受外界影响，构成纤维细胞壁的S2层或S。和S2层中的微纤维常产生滑移，导致纤维细胞壁的褶皱、扭曲等局部变形【l也J，而形成位错。位错内的纤维结构疏松，结晶度低，通常被认为是

5、单根纤维中的最弱部分【引。同时，位错点处之纤维容易受化学、机械的作用。在工业生产中，位错会导致纸张强度的下降；在天然纤维基的复合材料中，应力集中通常出现在纤维位错处，这导致纤维与树脂之间在位错处容易发生脱粘，以及引起树脂的微断裂¨】，从而降低复合材料的力学性能。因此，有必要通过研究天然纤维的位错，以消除或降低其在工业生产中所带来的负面影响。然而，目前对于天然纤维位错的研究主要集中于位错点的量化研究【"】，位错的可视化研究[8-9]，其采用的仪器设备多为光学显微镜，偏光显微镜以及扫描电镜。这些研究虽然为位错的研究奠定一些基础，

6、但并没有揭示出位错对纤维力学性能的影响，即位错对纤维力学性能的影响机理。ATR-FTIR作为一种有效的表面检测工具，收稿日期：2010-07．14修订日期：2010-08—13基金项目：TechnologyStrategyBoard，UK资助项目；国家自然基金资助项目(30972312)作者简介：戴达松(1980--)．男，福建漳州人，在读博士研究生·主要从事生物质材料及纳米材料研究，Email：2544360@163．corn；※通信作者：MiziFan(1962一)。男，教授，博士生导师，主要从事建筑材料及纳米材料研究，

7、Email：mizi．fan@brunei．扯．uk：黄彪(1966--)，男，教授，博士生导师，主要从事生物质材料及纳米材料研究。Email：Ohuangbiao@hotma／1．co皿对测验样品的样品量要求较低，并且无需经过繁琐的样品制备程序便可以直接测试样品，测试过程简便、快捷，测试结果可以提供表面层的化学构造、立体结构、分子取向、氢键等大量信息，因此被广泛应用于各种材料之表面分析。本工作采用ATR．FTIR对天然纤维(大麻纤维)的位错进行了分析，研究了位错处的结晶度、纤维素分子链的氢键结合以及其他化学要素(半纤维素和

8、木素)，并与非位错处的纤维进行对比，以期揭示位错影响纤维力学性能的机理，并为天然纤维的改性以及天然纤维基复合材料力学性能的提高提供理论依据。1材料与方法1．1单根纤维的制备与拉伸断裂大麻纤维束由英国HempFarmandFibreCompanyLtd提供，试样经生物酶处理后制得。取50g样