1、本文主要嘗試使用一種冰島馬毛纖維增強聚乳酸制備一種新型的綠色復合材料，并試驗研究了其熱學和力學性能。隨著人們環(huán)保意識的提高，用可再生的纖維/聚合物材料生產(chǎn)的可生物降解、環(huán)境友好、可持續(xù)的所謂綠色復合材料漸漸吸引了越來越多的關注。生長于冰島嚴寒氣候地區(qū)的馬為了達到身體的正常新陳代謝功能，在進化中它的毛羽漸漸生成具有較大中腔的御寒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)稱為髓腔(medullation)，髓腔內(nèi)包含大量的靜止空氣，其不僅降低了毛纖維的熱傳導，并在很低

2、程度的彎曲剛度損失下減少了纖維重量。冰島馬毛纖維外部有一層角質(zhì)層，角質(zhì)層由鱗片細胞構(gòu)成，其排列方向形成了動物毛羽纖維特有的方向性摩擦效應。這種形態(tài)被認為可以增加纖維和基體間的界面剪切強度。因為由熱壓法制造復合材料過程中，基體會受力流入這些鋸齒狀的小凹槽內(nèi)，并且纖維表面較高的摩擦系數(shù)使得纖維和基體的結(jié)合力得到增強，從而增加了復合材料的力學性能。并且，動物毛羽角蛋白的氨基酸鏈的側(cè)基主要為疏水性集團，這使它與同為疏水性的PLA基體間存在一定的

3、兼容性?；诒鶏u馬毛纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點，本文制備了新型綠色復合材料，并著重對熱傳導和拉伸性能進行了測試分析，主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　 1)冰島馬毛/PLA綠色復合材料的制備
　　 試驗冰島馬毛纖維的長度在1cm至6cm之間，用SEM電鏡估測其纖維直徑在80μm至150μm之間。纖維在制備前經(jīng)過了清洗工序來去除非毛雜質(zhì)，并在室溫下干燥了48小時。通過手工纖維鋪層將其和直徑大約為3mm小珠狀PLA2003D顆粒一起用熱壓法

4、制備了纖維隨機排列和近似單向的復合材料，纖維體積含量分別為0％、1％、5％、10％、15％、20％。其中，復合材料中纖維隨機排列方向的制備了五種纖維含量，而纖維近似單向的只制備了15％的纖維含量。
　　 2)復合材料的孔隙含量測試分析
　　 根據(jù)ASTMD2734-94標準通過復合材料的理論密度和通過水替代法測量的密度計算而得。復合材料內(nèi)孔隙形成最常見的原因是在基體浸漬纖維過程中無法完全排除纖維旁的空氣?？紫哆€可能是因為

5、在復合材料冷卻過程由于壓力和溫度對其比體積變化的聯(lián)合影響而造成的結(jié)晶收縮。如果壓力在其比體積減少前移除，則局部結(jié)晶而形成的收縮會在復合材料內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，而不是減少其厚度。結(jié)果顯示，除了纖維體積分數(shù)為5％的復合材料孔隙量比10％和15％纖維量的復合材料要多，復合材料的孔隙量隨著其纖維量的增加有上升趨勢.這是因為角蛋白盡管大多為疏水性，但其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然包含一些氫鍵綁定的”結(jié)合水”，并且DSC研究顯示這些結(jié)合水在高溫下仍然很穩(wěn)定。綁定水會減

6、少角蛋白和非極性PLA的兼容性，因此，還是會有一小部分的孔隙在一些纖維的附近產(chǎn)生。根據(jù)對PLA的密度測量和理論計算，純PLA板內(nèi)并無孔隙，所以結(jié)晶收縮并不是這些復合材料產(chǎn)生孔隙的主要原因。所以孔隙含量隨著纖維含量增加而增加的趨勢的原因可能是纖維結(jié)構(gòu)中和基體不兼容的”結(jié)合水”，而含5％纖維量的復合材料孔隙較多的原因可能是生產(chǎn)其的這批纖維并沒有完全干燥，因此殘留的水分導致其產(chǎn)生較多的孔隙。20％纖維含量的復合材料有最多的孔隙，并遠大于15％

7、纖維含量的復合材料。這可能是因為當纖維體積含量達到20％時，基體的量已經(jīng)不能夠完全浸漬所有的纖維表面。還有可能是當纖維量達到20％時，基體已經(jīng)很難穿透密集的纖維集合體。
　　 3)復合材料的拉伸性能測試分析
　　 復合材料及純PLA板材的拉伸強力、模量和拉伸應變根據(jù)ASTMD3039-07標準用INSTRON5500R測試。近似單向的復合材料拉伸測試方向為纖維的縱向。機器拉伸頭的隔距長度為7.5cm，拉伸速度為2mm/m

8、in，測力傳感器為500kg。測試結(jié)果顯示，纖維近似單向的復合材料板的拉伸強力和模量比純PLA及纖維隨機排列的復合材料板都要顯著地大，說明馬毛纖維強力大于PLA，理想情況下，單向纖維復合材料所受的力都會傳遞至纖維軸向由纖維承擔。纖維隨機排列的復合材料板強力比純PLA的要低，模量高，而纖維隨機方向的復合材料間的強力和模量并沒有顯著差別。事實上，復合材料的拉伸性質(zhì)由許多因素決定，包括纖維和基體本身的拉伸性能、纖維體積含量、孔隙量、纖維取向分

9、布、纖維長度分布和纖維和基體的界面作用，更受到由于試驗條件而采用的手工纖維鋪層方法的限制。因為馬毛纖維的強力和模量大于PLA，所以造成上述現(xiàn)象的原因可能在于纖維取向、長度和復合材料孔隙量。也許因為纖維手工鋪層方法的限制，纖維隨機方向的復合材料板中只有少量的纖維排列在拉伸測試方向，也可能是因為纖維長度太長，導致纖維在復合材料加工中受到力而產(chǎn)生塑性變形又或者是存在于復合材料板中的不同孔隙量導致了上述結(jié)果。復合材料的拉伸斷裂面根據(jù)SEM分析了

10、纖維和基體的剝離、纖維的斷裂、纖維的抽出等。觀察結(jié)果表明冰島馬毛纖維和PLA的界面作用不錯，但并沒有達到最大化的狀態(tài)。
　　 4)復合材料的隔熱性能測試分析
　　 復合材料的導熱系數(shù)使用ThermolabKESF-TL2C系統(tǒng)測試依據(jù)標準ASTMD1518-11a測試。此裝置測試了熱流從溫暖干燥恒溫的平板經(jīng)過一層復合材料進入冷空氣的傳導量。試驗結(jié)果顯示，冰島馬毛纖維的添加顯著的降低了復合材料的導熱系數(shù)，并且，當纖維體積含

11、量從1％增加到20％時，復合材料的導熱系數(shù)從0.071W/mK降至0.043W/mK。復合材料的熱傳導性能取決于許多參數(shù)包括纖維體積含量、纖維取向、纖維分布、纖維密度，纖維和基體類型和孔隙量。因為纖維的長度(1cm-6cm)遠比復合材料的厚度(0.05cm左右)大，而復合材料加工工序中的壓力有將纖維壓平的趨勢，所以試驗中測量的復合材料厚度方向的熱傳導性能可以假設為垂直于纖維軸向。因此，決定影響熱傳導性能的參數(shù)為纖維量和孔隙量。由于冰島馬

12、毛纖維內(nèi)的空腔含有大量的靜止空氣，靜止空氣的熱傳導率比毛纖維或PLA本身都要低，所以纖維含量越多，靜止空氣越多，復合材料的熱隔絕性能也就越好。然而，1％到15％纖維含量的復合材料的導熱系數(shù)間并沒有顯著差異(P＞0.05)。這可能是因為樣本量太?。糠N纖維含量復合材料各2塊），使得其標準差太大。也有可能是由于受到手工纖維鋪層方法的限制，復合材料內(nèi)部纖維的分布并不均勻，在纖維含量較小的復合材料中，其中心區(qū)域也是測試區(qū)域的纖維可能更加密集，使

13、其具有較低的導熱系數(shù)。值得一提的是5％纖維含量的導熱系數(shù)比10％含量的更低。前面已經(jīng)討論到，5％纖維含量的復合材料內(nèi)孔隙比10％纖維含量的更多，因此，5％纖維含量的復合材料內(nèi)的靜止空氣可能比10％的更多。
　　 5)復合材料傳熱模型的理論預測效果考查
　　 復合材料既可以被認為是固相-固相系統(tǒng)，也可看做固相-氣相系統(tǒng)。在固相-氣相系統(tǒng)中，纖維結(jié)構(gòu)中的空氣和復合材料中存在的孔隙是氣相，纖維本身和基體是固相。這兩類系統(tǒng)都被廣

14、為研究，并提出過很多的經(jīng)驗和數(shù)值模型。在本文中，冰島馬毛纖維增強PLA復合材料被當做固相-固相，即纖維相-基體相系統(tǒng)。由于纖維的長度遠大于復合材料的厚度，所以假設纖維在復合材料制備時受壓變平，而橫躺于熱傳導測試的方向。所測的復合材料的厚度方向的熱傳導系數(shù)也就可以被假設是橫向熱傳導系數(shù)。本文用了三種理論方法，分別為串聯(lián)模型、Halpin-Tsai理論模型、Lewis和Nielsen半理論模型來計算復合材料的橫向熱傳導系數(shù)。這些方法都假設復