玄武岩_苎麻增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究_谭冬宜.pdf

第 33 卷第 2 期2023年6月Vol.33 No.2Jun.2023湖 南 工 程 学 院 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan Institute of Engineering（Natural Science Edition）收稿日期：2022-09-19基金项目：湖南省教育厅优秀青年项目（20B135）；湖南省科技创新计划资助项目（2021RC1011）；湖南工程学院大学生创新创业训练计划项目（校教字2021 21号-33）.作者简介：谭冬宜（1981-），女，副教授，研究方向：高性能纤维织物复合材料.谭冬宜1，杨邵蓉1，曾双穗2，邝小菊1，岳妍1（1.湖南工程学院 纺织服装学院，湘潭 411104；2.绍兴方圆检测科技有限公司，绍兴 312080）摘要：玄武岩纤维是一种可自然降解的高性能纤维.苎麻纤维作为一种天然纤维，其来源广泛、再生能力强、成本低.以玄武岩织物、苎麻织物为增强体，以聚乳酸作为基体，通过模压成型工艺制备了混杂复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.结果表明：随着热压时间的增加，非对称铺层R/B复合材料的拉伸性能先增后减，当热压时间为25 min、聚乳酸含量为70%时，混杂复合材料的拉伸性能最佳；苎麻织物处于芯层的B/R/B复合材料的断裂强力、断裂伸长率均高于玄武岩织物处于芯层的R/B/R复合材料，因此在制备混杂复合材料时宜将强力弱的材料铺在芯层.关键词：玄武岩织物；苎麻织物；聚乳酸；铺层方式中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1671-119X（2023）02-0062-05玄武岩/苎麻增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究玄武岩纤维是以天然的玄武岩为原材料，经过14501500的高温熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维1.玄武岩纤维的制备工艺决定了在生产过程中不会产生大量的废弃物，对环境的污染小，而且其产品在废弃后可以在环境中自然降解，是典型的环境友好型材料.玄武岩纤维还具有耐高温、耐腐蚀、耐紫外线的优良特性，其增强型复合材料已经广泛应用于公路养护纤维封层、短切沥青增强、体育器材制造、墙外保温系统等领域.目前关于玄武岩纤维增强复合材料的研究主要包括纤维的增强机理、改性处理、纤维含量2-6对复合材料力学性能的影响.针对玄武岩织物类复合材料的研究尚少，且现有研究主要集中在玄武岩织物的可纺可织性方面7-10.苎麻纤维来源广泛、再生能力强、成本低，苎麻复合材料具有吸潮、隔音、减震、降噪等特点，目前关于苎麻纤维增强复合材料的研究主要集中在纤维的表面处理、成型工艺及性能研究等方面.李鑫等11利用碱处理、硅烷偶联剂处理以及碱+硅烷偶联剂联合处理分别对苎麻织物表面进行化学改性，研究改性处理对复合材料的层间剪切性能和吸水性能的影响.陈旭等12研究了苎麻织物增强不饱和聚酯复合材料的光老化性能.展江湖等13研究了纤维含量对苎麻聚乳酸复合材料性能的影响规律，并揭示了纤维增强机理.张旭锋等14对比分析了苎麻单向织物、平纹、斜纹、苎麻/玻璃纤维混编织物四种结构复合材料性能的差异.随着工业的不断发展，单一的纤维增强复合材料已经难以满足生产需求.为此，多种纤维混杂增强复合材料受到了越来越多的关注.Saidane等15利用声发射技术评估了玻纤-亚麻纤维混杂复合材料的破坏机制，即：基质开裂、纤维基质剥离和纤维失效.Cihan 等16研究了亚麻纤维编织布和 E 级玻纤混杂复合材料的机械动态性能.梁行17研究了纤维铺层结构、纤维百分比、纤维铺层角度等变量对剑麻-玄武岩纤维增强聚乳酸复合材料性能的影响.阮芳涛等18研究了叠层顺序对回收碳纤维/苎麻混杂增强高密度聚乙烯复合材料的冲击强度、拉伸强度的影响.本实验选用了玄武岩织物、苎麻织物、聚乳酸三种可降解材料，通过模压成型工艺制备了复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.苎麻纤维强度低且吸水性较强，通过加入玄武岩纤维来提高复合材料的强度和防水性，而玄武岩纤维为脆性材料，通过加入苎麻纤维能提高复合材料的韧性.1 实验部分1.1 材料与仪器材料：聚乳酸，密度 1.24 g/cm3；苎麻织物，平纹，单位面积质量为140 g/m2；玄武岩织物，四枚斜纹，单位面积质量为330 g/m2.仪器：电热恒温鼓风干燥箱DHG-9420A（上海一恒科技有限公司）；程序控制压片机 SY-6210-B（东莞市世研精密仪器有限公司）；织物强力仪YG（B）026HC-500（莱州元茂仪器有限公司）；视频显微镜SPX-200H（深圳市星明光学仪器有限公司）.1.2 聚乳酸基体的准备将聚乳酸粒料置于 80的恒温鼓风干燥箱中干燥 2 h.均匀铺放在厚度 1 mm 的压片机模具中，制成聚乳酸薄板.其工艺条件为：上下层板温度195，预压压力0.6 MPa，预压时间4 min，热压压力7 MPa，热压时间4 min，排气5次，停顿时间4 s，排气加压时间4 s，上下区冷却时间10 min.1.3 复合材料的制备将玄武岩织物、苎麻织物均剪裁成尺寸为 20 cm20 cm 的样品，放在 80的恒温鼓风干燥箱中干燥2 h，去除水分.复合材料的制备采取模压成型工艺，主要包括铺层、模压两部分.本实验中织物增强体采取的铺层方式有三种：非对称铺层R/B、对称铺层R/B/R、对称铺层 B/R/B，其中 R 为苎麻织物（ramie fab-ric），B 为玄武岩织物（basalt fabric），织物与织物经向一致，且织物之间均夹持着聚乳酸（PLA）薄板，如图1所示.（a）非对称铺层R/B（b）对称铺层R/B/R（c）对称铺层B/R/B图1 织物铺层方式铺层好的材料置于压片机模具中，模具表面均铺设一层油布，以便于后续顺利脱模.模压工艺参数为：上下层板温度 180，预压压力0.6 MPa，预压时间10 min，热压压力4 MPa，热压时间为 20 min，排气 5 次，停顿时间 4 s，排气加压时间 4 s，上下区冷却时间10 min.1.4 拉伸性能测试按照 纤维增强塑料拉伸性能试验方法（GB/T1447-2005）将制备好的复合材料裁剪成哑铃形.采用YG（B）026HC-500型强力仪测试材料的拉伸性能，每组测试有效数据不少于5个，取其平均值.测试在室温下进行，实验速度为5 mm/min.2 实验结果与分析2.1 热压时间对复合材料拉伸性能的影响为探究热压时间对复合材料拉伸性能的影响，对苎麻/玄武岩（R/B）织物非对称铺层复合材料设置了四种热压时间，其拉伸性能测试结果如图2所示.热压20 min后，复合材料的断裂强力、断裂伸长率均先增后减，当热压时间超过 30 min 后，复合材料的断裂强力急剧下降.DOI:10.15987/ki.hgbjbz.2023.02.003第2期伸强度的影响.本实验选用了玄武岩织物、苎麻织物、聚乳酸三种可降解材料，通过模压成型工艺制备了复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.苎麻纤维强度低且吸水性较强，通过加入玄武岩纤维来提高复合材料的强度和防水性，而玄武岩纤维为脆性材料，通过加入苎麻纤维能提高复合材料的韧性.1 实验部分1.1 材料与仪器材料：聚乳酸，密度 1.24 g/cm3；苎麻织物，平纹，单位面积质量为140 g/m2；玄武岩织物，四枚斜纹，单位面积质量为330 g/m2.仪器：电热恒温鼓风干燥箱DHG-9420A（上海一恒科技有限公司）；程序控制压片机 SY-6210-B（东莞市世研精密仪器有限公司）；织物强力仪YG（B）026HC-500（莱州元茂仪器有限公司）；视频显微镜SPX-200H（深圳市星明光学仪器有限公司）.1.2 聚乳酸基体的准备将聚乳酸粒料置于 80的恒温鼓风干燥箱中干燥 2 h.均匀铺放在厚度 1 mm 的压片机模具中，制成聚乳酸薄板.其工艺条件为：上下层板温度195，预压压力0.6 MPa，预压时间4 min，热压压力7 MPa，热压时间4 min，排气5次，停顿时间4 s，排气加压时间4 s，上下区冷却时间10 min.1.3 复合材料的制备将玄武岩织物、苎麻织物均剪裁成尺寸为 20 cm20 cm 的样品，放在 80的恒温鼓风干燥箱中干燥2 h，去除水分.复合材料的制备采取模压成型工艺，主要包括铺层、模压两部分.本实验中织物增强体采取的铺层方式有三种：非对称铺层R/B、对称铺层R/B/R、对称铺层 B/R/B，其中 R 为苎麻织物（ramie fab-ric），B 为玄武岩织物（basalt fabric），织物与织物经向一致，且织物之间均夹持着聚乳酸（PLA）薄板，如图1所示.（a）非对称铺层R/B（b）对称铺层R/B/R（c）对称铺层B/R/B图1 织物铺层方式铺层好的材料置于压片机模具中，模具表面均铺设一层油布，以便于后续顺利脱模.模压工艺参数为：上下层板温度 180，预压压力0.6 MPa，预压时间10 min，热压压力4 MPa，热压时间为 20 min，排气 5 次，停顿时间 4 s，排气加压时间 4 s，上下区冷却时间10 min.1.4 拉伸性能测试按照 纤维增强塑料拉伸性能试验方法（GB/T1447-2005）将制备好的复合材料裁剪成哑铃形.采用YG（B）026HC-500型强力仪测试材料的拉伸性能，每组测试有效数据不少于5个，取其平均值.测试在室温下进行，实验速度为5 mm/min.2 实验结果与分析2.1 热压时间对复合材料拉伸性能的影响为探究热压时间对复合材料拉伸性能的影响，对苎麻/玄武岩（R/B）织物非对称铺层复合材料设置了四种热压时间，其拉伸性能测试结果如图2所示.热压20 min后，复合材料的断裂强力、断裂伸长率均先增后减，当热压时间超过 30 min 后，复合材料的断裂强力急剧下降.谭冬宜，等：玄武岩/苎麻增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究632023年湖南工程学院学报（自然科学版）图2 热压时间对复合材料拉伸性能的影响不同热压时间下复合材料的表面形貌如图3所示.热压时间为25 min时，复合材料表面较平整，聚乳酸薄板热熔后能充分与织物混合，玄武岩织物面的外观如图3（a）所示.当热压时间为35 min时，玄武岩织物面外观仍平整，表面无明显气泡，但苎麻织物面出现严重的气泡现象，且有裂纹，如图3（b）所示.（a）热压时间25 min（b）热压时间35 min图3 非对称铺层复合材料的表面形貌2.2 聚乳酸含量对复合材料拉伸性能的影响为探究聚乳酸含量对苎麻/玄武岩（R/B）织物非对称铺层复合材料拉伸性能的影响，通过调整聚乳酸母粒的质量制得四种含量的复合材料试样，其拉伸性能测试结果如图4所示.纯聚乳酸薄板经受拉伸时其断裂强力仅为539 N，随着织物的混杂，聚乳酸含量降低，复合材料的断裂强力及断裂伸长率均明显提升，这说明玄武岩织物、苎麻织物的混杂起到了增强的作用.当聚乳酸含量分别为 60%、70%、80%时，复合材料的拉伸断裂强力先增后减.这可能是因为聚乳酸含量较低时，受热熔融的聚乳酸不能完全包覆纤维，导致部分纤维处于裸露状态.当聚乳酸含量过高时，复合材料经受拉伸时主要受力对象为聚乳酸，纤维的增强作用无显著变化.图4 聚乳酸含量对复合材料拉伸性能的影响2.3 铺层方式对复合材料拉伸性能的影响在热压时间为 25 min，聚乳酸含量为 70%时，两种对称铺层方式复合材料的拉伸性能测试结果如表1所示.苎麻织物处于芯层的B/R/B复合材料的断裂强力、断裂伸长率均高于玄武岩织物处于芯层的R/B/R复合材料.表1 两种对称铺层复合材料拉伸性能试样B/R/BR/B/R断裂强力/N38263367断裂伸长率/%4.013.88在非对称铺层R/B复合材料的拉伸实验中，苎麻织物层先于玄武岩织物层发生破坏并出现裂纹，苎麻织物层的破坏导致周围材料应力的重新分布，一部分应力会传递到玄武岩织物层.在对称铺层B/R/B 中，苎麻织物处于芯层，织物正反两面均被拉伸强度较高的玄武岩织物包覆，当苎麻织物受拉伸发生破坏后，两面玄武岩织物的存在可以较好地控制裂纹的扩大；在对称铺层R/B/R中，苎麻织物处于表层，织物仅一面被玄武岩织物包覆，应力传64第2期输效率相对较低.因此，玄武岩织物含量较高的B/R/B复合材料的拉伸性能较R/B/R复合材料好.3 结论以可降解材料玄武岩织物、苎麻织物为增强体，以聚乳酸为基体，采取模压成型工艺制备了混杂复合材料，探讨了热压时间、聚乳酸含量、铺层方式对混杂复合材料拉伸性能的影响.（1）随着热压时间的增加，玄武岩/苎麻混杂复合材料的断裂强力、断裂伸长率均先增后减，当热压时间为 25 min 时，复合材料的拉伸性能最佳.而当热压时间超过30 min后，复合材料的断裂强力急剧下降，苎麻织物层出现大量气泡且有裂纹.（2）纯聚乳酸薄板拉伸性能较差，玄武岩织物、苎麻织物的混杂使复合材料的断裂强力及断裂伸长率均明显提升.当聚乳酸含量为 70%时，复合材料的拉伸性能最佳.（3）苎麻织物处于芯层的B/R/B复合材料的断裂强力、断裂伸长率均高于玄武岩织物处于芯层的R/B/R复合材料，因此在制备混杂复合材料时宜将强力弱的材料铺在芯层.参 考 文 献1 袁毅，崔爽，徐绍虎，等.玄武岩纤维增强聚合物基复合材料的研究进展 J.合成材料老化与应用，2018，47（4）：99-103.2贾明皓，肖学良，钱坤.玄武岩纤维及其增强水泥基复合材料研究进展 J.硅酸盐通报，2018，37（11）：3467-3474.3 陈宝春，林毅焌，杨简，等.超高性能纤维增强混凝土中纤维作用综述 J.福州大学学报（自然科学版），2020，48（1）：58-68.4叶国锐，晏义伍，曹海琳.氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能 J.复合材料学报，2014，31（6）：1402-1408.5 王林，王梦尧，王佩勋，等.偶联剂改性玄武岩纤维增强水泥基复合材料力学性能 J.材料导报，2019，33（S2）：273-277.6 KYCHKIN A A，KYCHKIN A K，LEBEDEV M P，et al.Properties of Basalt Composites Based on Epoxy Anhy-dride Binder Modified by Silicate NanoparticlesJ.Rus-sian Engineering Research，2020，40（5）：378383.7 李敏，刘基宏.玄武岩包芯织物的制备及吸声性能 J.丝绸，2020，57（4）：28-34.8王子帅，钟智丽，万佳，等.玄武岩长丝/芳纶间隔纱织物复合材料板材耐冲击性能的研究 J.复合材料科学与工程，2020（1）：92-94，100.9 杨越飞，杨文斌.织布形状对玄武岩纤维布/不饱和聚酯树脂复合材料力学性能的影响 J.材料导报，2014，28（20）：47-50，67.10樊凯，卢雪峰，钱坤.织物结构对玄武岩织物/环氧树脂复合材料力学性能的影响 J.材料科学与工程学报，2019，37（3）：452-456.11 李鑫，左祺，徐磊，等.苎麻织物铺层设计及化学改性对复合材料力学及界面性能影响 J.工程塑料应用，2020，48（7）：61-67，79.12陈旭，刘燕峰，刘青曼，等.苎麻纤维增强复合材料的光老化性能 J.工程塑料应用，2021，49（4）：98-103.13展江湖，王迎宵，杨志浩，等.苎麻纤维增强聚乳酸复合材料性能研究 J.工程科学学报，2021，43（7）：952-959.14张旭锋，乌云其其格，黎迪晖，等.苎麻纤维增强生物质环氧树脂基复合材料性能研究 J.高科技纤维与应用，2020，45（4）：20-26.15 SAIDANE E H，SCIDA D，ASSARAR M，et al.Dam-age Mechanisms Assessment of Hybrid Flax-glass FibreComposites Using Acoustic EmissionJ.CompositeStructures，2017，174：1-11.16 CIHAN M，SOBEY A J，BLAKE J I R.Mechanical andDynamic Performance of Woven flax/E-glass HybridCompositesJ.Composites Science and Technology，2018，172：36-42.17 梁行.连续剑麻纤维/玄武岩纤维混杂增强聚乳酸层压复合材料的制备与性能研究 D.广州：华南理工大学，2018.18 阮芳涛，夏成龙，杨庆永，等.叠层顺序对回收碳纤维/苎麻混杂增强PE-HD复合材料力学性能影响 J.工程塑料应用，2021，49（7）：87-91.谭冬宜，等：玄武岩/苎麻增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究652023年湖南工程学院学报（自然科学版）Study on Tensile Properties of Basalt/Ramie FabricReinforced Polylactic Acid CompositesTAN Dongyi1，YANG Shaorong1，ZENG Shuangsui2，KUANG Xiaoju1，YUE Yan1（1.College of Textile and Fashion，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104，China；2.Shaoxing Fangyuan Testing Technology Co.，Ltd，Shaoxing 312080，China）Abstract：Basalt fiber is a high-performance fiber with natural degradation.As a natural fiber，ramie fiberhas a wide range of sources，strong regeneration capacity and low cost.With basalt fabric and ramie fabric asreinforcements，and poly-lactic acid as substrates，mixed composite materials are prepared by compressionmoulding process and then the influence of thermal pressure time，poly-lactic acid content and laminatingmode on the tensile properties are discussed.The results show that with the increase of thermal pressuretime，the tensile performance of R/B composite increases and then decreases.When the thermal pressure timeis 25min and the poly-lactic acid content is 70%，the tensile performance is the best.The B/R/B composite ma-terial，while ramie fabric is in the core layer，is higher than the R/B/R composite material while the basalt fab-ric is in the core layer.Therefore，it is appropriate to lay the weak material in the core layer when preparingthe mixed composites.Keywords：basalt fabric；ramie fabric；poly-lactic acid；laminating modeDesign and Application of Mysql Fast Full SynchronizationReplication Technology（上接第44页）WU Zhenhai1，HE Gexin2（1.School of Mathematics，Southeast University，Nanjing 211189，China；2.Shangxuan（Shenzhen）Software Technology Co.，Ltd，Shenzhen 518109，China）Abstract：Mysql semi-synchronous replication technology is widely used in high performance data manage-ment，but it has some shortcomings in reliability.In this paper，the semi-synchronous replication technologyis optimized，and a fast fully synchronous replication technology is proposed.Through the transaction processsetting，rational application of thread resources，batch log application and other technical means in the pro-cess of semi-synchronous data replication，the performance loss in the process of replication is reduced on thebasis of ensuring data reliability，and the fast fully synchronous replication is realized.The test results showthat the fast fully synchronous replication technology can achieve a good balance in performance，reliabilityand consistency，and effectively improve the service carrying capacity of the Mysql storage cluster.Keywords：Mysql；asynchronous replication；semi-synchronous replication；fully synchronous replication66