纖維網結構對麻纖維復合膜力學性能的影響

高丙文 郁崇文 張 斌

（東華大學，上海，201620）

傳統農用地膜以聚乙烯或聚丙烯膜為主，難以自然降解，加上回收成本高，其碎片多數殘留在土壤中，造成農田白色污染以及土壤次生鹽堿化，給農業生產帶來危害［1］。為解決傳統農用地膜給農業生產和環境帶來的問題，開發可自然降解地膜成為有效途徑之一［2］。天然麻纖維具有很好的生物降解性能和力學性能，將其梳理成網后，采用非織造加工方法，可制得麻纖維膜，此類膜在土壤中可生物降解，是理想的地膜產品之一［3?6］。

纖維網作為麻地膜的主體結構成分，對膜性能有直接影響。纖維網中纖維含量的高低一般用單位面積纖維網質量——面密度衡量，纖維網面密度不僅與原料成本直接相關，而且影響地膜質量。王朝云等比較了3種不同面密度麻纖維膜的力學性能，通過適當增加纖維網面密度可以增強地膜［7］；王思意等比較了5種不同面密度的麻纖維膜，隨著面密度增加，膜的拉伸斷裂強度逐漸增大［8］。膜的力學性能除與纖維網面密度有關外，與纖維在膜內的排列方向也有關。長度方向是纖維受力的主體方向，如有較多的纖維在長度方向承擔外力作用，則材料呈現較高的強力，這一現象在劉誠、李鑫等對麻纖維復合材料的研究中得到體現［9?10］。他們通過改變纖維網鋪層取向角度，得到纖維排列方向不同的復合材料，發現材料力學性能隨著鋪層取向角度的變化而變化，其原因是不同鋪層取向角度改變了麻纖維在復合材料內的排列方向，使材料不同方向的承力纖維數量不同。與此類似，麻纖維膜也是采用纖維網鋪層成膜，纖維排列方向對膜的力學性能也存在影響。汪洪鷹和谷田雨等發現麻纖維膜的拉伸斷裂強力均呈現縱向遠大于橫向的現象，分析其原因也是由于麻纖維主要呈縱向分布，縱向承力纖維多，橫向承力纖維少所致［11?12］。纖維在膜中的排列方向可以通過改變纖維網鋪層取向角度來調整，因此纖維網的鋪層取向角度對膜性能有著較大影響。

以上說明纖維網面密度和鋪層取向角度是制備麻纖維膜的兩個重要參數，直接影響膜的力學性能，然而對二者的研究卻不多，更沒有將二者結合起來探索。本研究采用淀粉基塑料膜與麻纖維網熱壓制得麻纖維復合膜，探討纖維網的面密度和鋪層取向角度與復合膜力學性能間的關系，以制備出力學性能較優的麻纖維復合膜。

1 試驗

1.1 主要原材料

黃麻落麻纖維由湖南湘南麻業有限公司提供，平均細度2.9 tex，平均細度CV37%；平均長度30.47 mm，平均長度CV29%；平均斷裂強力64.50 cN，平均斷裂強力CV35%。淀粉基塑料膜由浙江臺州騰迪日用品有限公司提供，主要成分為改性玉米淀粉（質量分數20%）和低密度聚乙烯（LDPE），薄膜厚度0.020 mm±0.002 mm，平均面密度8 g/m2。麻絲束由浙江金鷹股份有限公司提供，細度16.0 tex；平均斷裂強力242.12 cN，平均斷裂強力CV47%。

1.2 麻纖維復合膜的制備

稱取除雜后的絕干麻纖維適量，將其均勻平鋪在小型梳棉機上，梳理后制得一定面密度的均勻麻纖維網。取兩塊麻纖維網，按其各自的鋪層取向角度疊放在兩塊淀粉基塑料膜之間，然后通過平板硫化機在溫度135℃、壓力6 MPa下熱壓120 s，制得麻纖維復合膜。

纖維網的鋪層取向角度如圖1所示，以梳理機輸出方向為纖維網縱向基準，復合膜纖維網長度方向與其夾角，稱為纖維網鋪層取向角。上、下兩層纖維網鋪層取向角度分別為a°和b°，麻纖維復合膜鋪層取向角度以a/b表示。

圖1 纖維網鋪層取向角度

1.3 麻纖維復合膜性能測試

農用膜應用中會受到拉伸、鉤掛或撕扯等作用，同時需具有較好的柔軟性，以緊密貼伏地面。因而本研究評價麻纖維復合膜的力學性能時選用斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度3個指標。分別參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》、GB/T 3917.1—2009《紡織品 織物撕破性能 第1部分：沖擊擺錘法撕破強力的測定》、GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定第1部分：斜面法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 麻纖維網面密度對復合膜力學性能的影響

在纖維網鋪層取向角度為0/0時，選取面密度為8 g/m2、12 g/m2、16 g/m2、20 g/m2和24 g/m2的麻纖維網，分別與淀粉基塑料膜熱壓復合，制得的麻纖維復合膜斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度如圖2所示。

圖2 麻纖維網面密度對復合膜力學性能影響

從圖2可以看出，復合膜橫向和縱向的斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度均隨著麻纖維網面密度增加而增加，且縱向均大于橫向。當面密度小于16 g/m2時，復合膜的斷裂強力和撕破強力增幅較大，抗彎剛度增幅較??；當面密度大于16 g/m2時，復合膜的斷裂強力和撕破強力增幅則相對較小，而抗彎剛度增幅較大。

纖維網面密度較低時，復合膜單位體積內的纖維數量較少，承力纖維相應較少；并且纖維間的纏結抱合也較少，纖維易被抽拔出復合膜，致使復合膜的斷裂強力偏低。隨著纖維網面密度增加，單位體積內的麻纖維數量增多，較多的纖維承擔外力作用。同時，纖維間的纏結抱合增強，可使較多的纖維共同承受負荷，纖維抽拔力增加，因而復合膜斷裂強力增大。撕裂時，纖維的伸長和滑移使復合膜在撕裂口處形成三角區，當纖維網面密度較低時，纖維數量較少且排列分散，容易被外力拉斷和抽拔出復合膜，撕破強力較低；隨著纖維網面密度增加，復合膜內纖維數量增多，能夠承受更大的外力作用，撕破強力逐漸增大；纖維較多時使纖維間的纏結增多，纖維滑移緩沖撕破力的作用降低，撕破三角區變小，因而復合膜在橫縱向的撕破強力增幅漸緩。纖維網面密度較低時，膜內纖維分散，纖維間黏結較少，復合膜的剛度較低，膜較柔軟；隨著面密度增加，復合膜內纖維數量增多，纖維間的纏結和黏合增加，復合膜剛度增大，柔軟性降低。

綜合考慮纖維網面密度變化時復合膜強力和其增幅的變化、復合膜的柔軟貼地性以及原料成本，纖維網面密度取16 g/m2較合適。

2.2 麻纖維網鋪層取向角度對復合膜力學性能影響

將面密度為16 g/m2的兩塊麻纖維網，按照鋪層取向角度為0/0、0/45、0/90、45/45和45/135，分別與淀粉基塑料膜熱壓復合，制得麻纖維復合膜的斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度如圖3所示。

圖3 麻纖維網鋪層取向角度對復合膜力學性能影響

由圖3可以看出，當上層麻纖維網鋪層取向角度0°，下層麻纖維網鋪層取向角度從0°增加到90°時，復合膜縱向斷裂強力減小，橫向斷裂強力增大；當鋪層取向角度0/90時，橫向斷裂強力達到最大值，縱向斷裂強力處于最小值；當上層麻纖維網鋪層取向角度45°，下層麻纖維網鋪層取向角度45°和135°時，復合膜橫縱向斷裂強力大小接近，但均比0/90小。

當上層麻纖維網鋪層取向角度0°時，層內纖維主要分布在縱向，隨著下層纖維網鋪層取向角度增大，該層內纖維分布由縱向變為橫向，復合膜內縱向纖維數量減少，橫向纖維數量增加。拉伸時，由于橫縱向承力纖維的數量發生變化，隨著下層纖維網鋪層取向角度增大，復合膜縱向斷裂強力下降，橫向斷裂強力增加。當上層纖維網鋪層取向角度45°，下層纖維網鋪層取向角度45°和135°時，纖維分布在復合膜橫向、縱向之間。當復合膜被橫向或縱向拉伸時，纖維承受的拉力在復合膜橫向和縱向的分力接近，復合膜橫向與縱向的斷裂強力差異不明顯。鋪層取向角度0/90時，纖維主要分布在橫向和縱向，其他方向分布纖維較少，使得鋪層取向角度0/90復合膜的斷裂強力在橫向和縱向均高于鋪層取向角度45/45和45/135的復合膜。

由圖3也可以看出，鋪層取向角度對復合膜撕破強力和抗彎剛度影響不明顯。復合膜撕破強力同時受膜本身斷裂強力與撕裂三角區的大小兩方面因素的共同作用，鋪層取向角度變化時，斷裂強力對撕破強力的增強與撕裂三角區對撕破強力的削弱相互抵消，使得復合膜的撕破強力無明顯變化?？箯潉偠扰c纖維網本身原料的剛性相關較大，在纖維網面密度一定的前提下，纖維的排列方向對其影響不大，使得抗彎剛度變化不明顯。

綜合考慮復合膜斷裂強力、撕破強力以及抗彎剛度的變化，纖維網鋪層取向角度取0/90較合適。

2.3 麻絲束網面密度對復合膜力學性能影響

調整鋪層取向角度雖然可以提高復合膜的橫向斷裂強力，使復合膜橫向和縱向斷裂強力差異明顯改善，降低復合膜使用過程中的弱環效應，但該改善方法犧牲了一部分復合膜的縱向斷裂強力，使得復合膜強力低于傳統農用塑料地膜。麻絲束是麻纖維的集合體，強力較高，應用于復合膜有很好的增強效果。為了提高復合膜強力，本研究嘗試采用麻絲束增強的方法。試驗中，將麻絲束排列成一定面密度的均勻麻絲束網，兩層絲束網以一定鋪層取向角度內襯于上下層麻纖維網中，在熱壓作用下與淀粉基塑料膜復合。

將鋪層取向角度為0/0、面密度為0.8 g/m2、1.6 g/m2、2.4 g/m2、3.2 g/m2和4.0 g/m2的麻絲束網分別內襯于面密度16 g/m2、鋪層取向角度0/90的兩層麻纖維網之間，然后與淀粉基塑料膜熱壓復合，制得增強型麻纖維復合膜，其斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度如圖4所示。

圖4 麻絲束網面密度對復合膜力學性能影響

從圖4可以看出，復合膜的縱向斷裂強力和撕破強力均隨著麻絲束網面密度增加而增加，而橫向斷裂強力和撕破強力的變化不明顯；復合膜橫向和縱向抗彎剛度隨麻絲束網面密度增加而增加，尤其在面密度超過2.4 g/m2時，復合膜抗彎剛度增幅較大。隨著絲束網面密度增加，較多的麻絲束承擔增強作用，復合膜斷裂強力增大。由于鋪層取向角度0/0的麻絲束網主要分布在復合膜縱向，因此橫向增強并不明顯。麻絲束網面密度對復合膜撕破強力影響的原因，也是由于面密度的變化改變了膜撕裂三角區的大小和承力載體。麻絲束網面密度對復合膜柔軟性的影響主要是由于絲束的剛性以及絲束與纖維間纏結和黏合。

綜合考慮麻絲束網面密度變化時復合膜性能變化，其網面密度取2.4 g/m2較合適。

2.4 麻絲束網鋪層取向角度對復合膜力學性能影響

將面密度為2.4 g/m2的兩塊麻絲束網，按照鋪 層 取 向 角 度 為0/0、0/45、0/90、45/45和45/135，分別內襯于面密度16 g/m2、鋪層取向角度0/90的兩層麻纖維網之間，然后與淀粉基塑料膜熱壓復合，制得增強型麻纖維復合膜，其斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度如圖5所示。

圖5 麻絲束網鋪層取向角度對復合膜力學性能影響

由圖5可以看出，麻絲束網與麻纖維網鋪層取向角度的變化對復合膜力學性能的影響相類似。麻絲束網分布方向由縱向變化到橫向時，復合膜縱向斷裂強力減小，橫向斷裂強力增大，當鋪層取向角度0/90時，復合膜斷裂強力處于較佳水平。麻絲束網鋪層取向角度對復合膜撕破強力和抗彎剛度的影響，與前文的研究相類似，無明顯影響。

綜合考慮麻絲束網鋪層取向角度變化時復合膜性能變化，其鋪層取向角度取0/90較合適。

3 結論

（1）麻纖維網和麻絲束網的面密度對麻纖維復合膜的斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度影響較大，隨著麻纖維網面密度增加，復合膜的斷裂強力、撕破強力和抗彎剛度逐漸增大；隨著麻絲束網面密度增加，復合膜縱向斷裂強力和撕破強力增大，橫向斷裂強力和撕破強力變化不明顯，橫向和縱向抗彎剛度增大。

（2）麻纖維網和麻絲束網的鋪層取向角度對麻纖維復合膜的斷裂強力影響較大，對撕破強力和抗彎剛度的影響不明顯。鋪層取向角度為0/90時復合膜橫向斷裂強力較大，與縱向斷裂強力間的差異較小，有效改善了復合膜在不同方向受力時的弱環效應。

（3）制備復合膜的較優工藝參數：麻纖維網的面密度16 g/m2、鋪層取向角度0/90；麻絲束網的面密度2.4 g/m2、鋪層取向角度0/90。