本文主要尝试使用一种冰岛马毛纤维增强聚乳酸制备一种新型的绿色复合材料,并试验研究了其热学和力学性能。随着人们环保意识的提高,用可再生的纤维／聚合物材料生产的可生物降解、环境友好、可持续的所谓绿色复合材料渐渐吸引了越来越多的关注。生长于冰岛严寒气候地区的马为了达到身体的正常新陈代谢功能,在进化中它的毛羽渐渐生成具有较大中腔的御寒结构。这种结构称为髓腔(medullation),髓腔内包含大量的静止空气,其不仅降低了毛纤维的热传导,并在很低程度的弯曲刚度损失下减少了纤维重量。冰岛马毛纤维外部有一层角质层,角质层由鳞片细胞构成,其排列方向形成了动物毛羽纤维特有的方向性摩擦效应。这种形态被认为可以增加纤维和基体间的界面剪切强度。因为由热压法制造复合材料过程中,基体会受力流入这些锯齿状的小凹槽内,并且纤维表面较高的摩擦系数使得纤维和基体的结合力得到增强,从而增加了复合材料的力学性能。并且,动物毛羽角蛋白的氨基酸链的侧基主要为疏水性集团,这使它与同为疏水性的PLA基体间存在一定的兼容性。基于冰岛马毛纤维的形态结构特点,本文制备了新型绿色复合材料,并着重对热传导和拉伸性能进行了测试分析,主要内容及结论如下1)冰岛马毛/PLA绿色复合材料的制备试验冰岛马毛纤维的长度在1cm至6cm之间,用SEM电镜估测其纤维直径在80μm至150μm之间。纤维在制备前经过了清洗工序来去除非毛杂质,并在室温下干燥了48小时。通过手工纤维铺层将其和直径大约为3mm小珠状PLA2003D颗粒一起用热压法制备了纤维随机排列和近似单向的复合材料,纤维体积含量分别为0%、1%、5%、10%、15%、20%。其中,复合材料中纤维随机排列方向的制备了五种纤维含量,而纤维近似单向的只制备了15%的纤维含量。2)复合材料的孔隙含量测试分析根据ASTM D2734-94标准通过复合材料的理论密度和通过水替代法测量的密度计算而得。复合材料内孔隙形成最常见的原因是在基体浸渍纤维过程中无法完全排除纤维旁的空气。孔隙还可能是因为在复合材料冷却过程由于压力和温度对其比体积变化的联合影响而造成的结晶收缩。如果压力在其比体积减少前移除,则局部结晶而形成的收缩会在复合材料内部产生孔隙,而不是减少其厚度。结果显示,除了纤维体积分数为5%的复合材料孔隙量比10%和15%纤维量的复合材料要多,复合材料的孔隙量随着其纤维量的增加有上升趋势.这是因为角蛋白尽管大多为疏水性,但其蛋白质结构仍然包含一些氢键绑定的”结合水’并且DSC研究显示这些结合水在高温下仍然很稳定。绑定水会减少角蛋白和非极性PLA的兼容性,因此,还是会有一小部分的孔隙在一些纤维的附近产生。根据对PLA的密度测量和理论计算,纯PLA板扳内并无孔隙,所以结晶收缩并不是这些复合材料产生孔隙的主要原因。所以孔隙含量随着纤维含量增加而增加的趋势的原因可能是纤维结构中和基体不兼容的“结合水”,而含5%纤维量的复合材料孔隙较多的原因可能是生产其的这批纤维并没有完全干燥,因此残留的水分导致其产生较多的孔隙。20%纤维含量的复合材料有最多的孔隙,并远大于15%纤维含量的复合材料。这可能是因为当纤维体积含量达到20%时,基体的量已经不能够完全浸渍所有的纤维表面。还有可能是当纤维量达到20%时,基体已经很难穿透密集的纤维集合体。3)复合材料的拉伸性能测试分析复合材料及纯PLA板材的拉伸强力、模量和拉伸应变根据ASTMD3039-07标准用INSTRON5500R测试。近似单向的复合材料拉伸测试方向为纤维的纵向。机器拉伸头的隔距长度为7.5cm,拉伸速度为2mm/min,测力传感器为500kg。测试结果显示,纤维近似单向的复合材料板的拉伸强力和模量比纯PLA及纤维随机排列的复合材料板都要显著地大,说明马毛纤维强力大于PLA,理想情况下,单向纤维复合材料所受的力都会传递至纤维轴向由纤维承担。纤维随机排列的复合材料板强力比纯PLA的要低,模量高,而纤维随机方向的复合材料间的强力和模量并没有显著差别。事实上,复合材料的拉伸性质由许多因素决定,包括纤维和基体本身的拉伸性能、纤维体积含量、孔隙量、纤维取向分布、纤维长度分布和纤维和基体的界面作用,更受到由于试验条件而采用的手工纤维铺层方法的限制。因为马毛纤维的强力和模量大于PLA,所以造成上述现象的原因可能在于纤维取向、长度和复合材料孔隙量。也许因为纤维手工铺层方法的限制,纤维随机方向的复合材料板中只有少量的纤维排列在拉伸测试方向,也可能是因为纤维长度太长,导致纤维在复合材料加工中受到力而产生塑性变形又或者是存在于复合材料板中的不同孔隙量导致了上述结果。复合材料的拉伸断裂面根据SEM分析了纤维和基体的剥离、纤维的断裂、纤维的抽出等。观察结果表明冰岛马毛纤维和PLA的界面作用不错,但并没有达到最大化的状态。4)复合材料的隔热性能测试分析复合材料的导热系数使用Thermolab KESF-TL2C系统测试依据标准ASTM D1518-11a测试。此装置测试了热流从温暖干燥恒温的平板经过一层复合材料进入冷空气的传导量。试验结果显示,冰岛马毛纤维的添加显著的降低了复合材料的导热系数,并且,当纤维体积含量从1%增加到20%时,复合材料的导热系数从0.071W/m K降至0.043W/m K。复合材料的热传导性能取决于许多参数包括纤维体积含量、纤维取向、纤维分布、纤维密度,纤维和基体类型和孔隙量。因为纤维的长度(1cm-6cm)远比复合材料的厚度(0.05cm左右)大,而复合材料加工工序中的压力有将纤维压平的趋势,所以试验中测量的复合材料厚度方向的热传导性能可以假设为垂直于纤维轴向。因此,决定影响热传导性能的参数为纤维量和孔隙量。由于冰岛马毛纤维内的空腔含有大量的静止空气,静止空气的热传导率比毛纤维或PLA本身都要低,所以纤维含量越多,静止空气越多,复合材料的热隔绝性能也就越好。然而,1%到15%纤维含量的复合材料的导热系数间并没有显著差异(P>0.05)。这可能是因为样本量太小(每种纤维含量复合材料各2块),使得其标准差太大。也有可能是由于受到手工纤维铺层方法的限制,复合材料内部纤维的分布并不均匀,在纤维含量较小的复合材料中,其中心区域也是测试区域的纤维可能更加密集,使其具有较低的导热系数。值得一提的是5%纤维含量的导热系数比10%含量的更低。前面已经讨论到,5%纤维含量的复合材料内孔隙比10%纤维含量的更多,因此,5%纤维含量的复合材料内的静止空气可能比10%的更多。5)复合材料传热模型的理论预测效果考查复合材料既可以被认为是固相-固相系统,也可看做固相-气相系统。在固相-气相系统中,纤维结构中的空气和复合材料中存在的孔隙是气相,纤维本身和基体是固相。这两类系统都被广为研究,并提出过很多的经验和数值模型。在本文中,冰岛马毛纤维增强PLA复合材料被当做固相-固相,即纤维相-基体相系统。由于纤维的长度远大于复合材料的厚度,所以假设纤维在复合材料制备时受压变平,而横躺于热传导测试的方向。所测的复合材料的厚度方向的热传导系数也就可以被假设是横向热传导系数。本文用了三种理论方法,分别为串联模型、Halpin-Tsai理论模型、Lewis和Nielsen半理论模型来计算复合材料的横向热传导系数。这些方法都假设复合材料中没有孔隙。其中,冰岛马毛纤维的热传导系数由试验值的线性回归模型预测估计而得。热传导系数的试验值和三个基于复合材料横向热传导的理论模型的预测值进行了比较。分析结果显示,串联模型低估了复合材料的热传导系数,而Halpin-Tsai理论模型和Lewis和Nielsen半理论模型高估了复合材料的热传导系数。