纤维网结构对麻纤维复合膜力学性能的影响

高丙文 郁崇文 张 斌

（东华大学，上海，201620）

传统农用地膜以聚乙烯或聚丙烯膜为主，难以自然降解，加上回收成本高，其碎片多数残留在土壤中，造成农田白色污染以及土壤次生盐碱化，给农业生产带来危害［1］。为解决传统农用地膜给农业生产和环境带来的问题，开发可自然降解地膜成为有效途径之一［2］。天然麻纤维具有很好的生物降解性能和力学性能，将其梳理成网后，采用非织造加工方法，可制得麻纤维膜，此类膜在土壤中可生物降解，是理想的地膜产品之一［3⁃6］。

纤维网作为麻地膜的主体结构成分，对膜性能有直接影响。纤维网中纤维含量的高低一般用单位面积纤维网质量——面密度衡量，纤维网面密度不仅与原料成本直接相关，而且影响地膜质量。王朝云等比较了3种不同面密度麻纤维膜的力学性能，通过适当增加纤维网面密度可以增强地膜［7］；王思意等比较了5种不同面密度的麻纤维膜，随着面密度增加，膜的拉伸断裂强度逐渐增大［8］。膜的力学性能除与纤维网面密度有关外，与纤维在膜内的排列方向也有关。长度方向是纤维受力的主体方向，如有较多的纤维在长度方向承担外力作用，则材料呈现较高的强力，这一现象在刘诚、李鑫等对麻纤维复合材料的研究中得到体现［9⁃10］。他们通过改变纤维网铺层取向角度，得到纤维排列方向不同的复合材料，发现材料力学性能随着铺层取向角度的变化而变化，其原因是不同铺层取向角度改变了麻纤维在复合材料内的排列方向，使材料不同方向的承力纤维数量不同。与此类似，麻纤维膜也是采用纤维网铺层成膜，纤维排列方向对膜的力学性能也存在影响。汪洪鹰和谷田雨等发现麻纤维膜的拉伸断裂强力均呈现纵向远大于横向的现象，分析其原因也是由于麻纤维主要呈纵向分布，纵向承力纤维多，横向承力纤维少所致［11⁃12］。纤维在膜中的排列方向可以通过改变纤维网铺层取向角度来调整，因此纤维网的铺层取向角度对膜性能有着较大影响。

以上说明纤维网面密度和铺层取向角度是制备麻纤维膜的两个重要参数，直接影响膜的力学性能，然而对二者的研究却不多，更没有将二者结合起来探索。本研究采用淀粉基塑料膜与麻纤维网热压制得麻纤维复合膜，探讨纤维网的面密度和铺层取向角度与复合膜力学性能间的关系，以制备出力学性能较优的麻纤维复合膜。

1 试验

1.1 主要原材料

黄麻落麻纤维由湖南湘南麻业有限公司提供，平均细度2.9 tex，平均细度CV37%；平均长度30.47 mm，平均长度CV29%；平均断裂强力64.50 cN，平均断裂强力CV35%。淀粉基塑料膜由浙江台州腾迪日用品有限公司提供，主要成分为改性玉米淀粉（质量分数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。麻丝束由浙江金鹰股份有限公司提供，细度16.0 tex；平均断裂强力242.12 cN，平均断裂强力CV47%。

1.2 麻纤维复合膜的制备

称取除杂后的绝干麻纤维适量，将其均匀平铺在小型梳棉机上，梳理后制得一定面密度的均匀麻纤维网。取两块麻纤维网，按其各自的铺层取向角度叠放在两块淀粉基塑料膜之间，然后通过平板硫化机在温度135℃、压力6 MPa下热压120 s，制得麻纤维复合膜。

纤维网的铺层取向角度如图1所示，以梳理机输出方向为纤维网纵向基准，复合膜纤维网长度方向与其夹角，称为纤维网铺层取向角。上、下两层纤维网铺层取向角度分别为a°和b°，麻纤维复合膜铺层取向角度以a/b表示。

图1 纤维网铺层取向角度

1.3 麻纤维复合膜性能测试

农用膜应用中会受到拉伸、钩挂或撕扯等作用，同时需具有较好的柔软性，以紧密贴伏地面。因而本研究评价麻纤维复合膜的力学性能时选用断裂强力、撕破强力和抗弯刚度3个指标。分别参照GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》、GB/T 3917.1—2009《纺织品 织物撕破性能 第1部分：冲击摆锤法撕破强力的测定》、GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定第1部分：斜面法》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 麻纤维网面密度对复合膜力学性能的影响

在纤维网铺层取向角度为0/0时，选取面密度为8 g/m2、12 g/m2、16 g/m2、20 g/m2和24 g/m2的麻纤维网，分别与淀粉基塑料膜热压复合，制得的麻纤维复合膜断裂强力、撕破强力和抗弯刚度如图2所示。

图2 麻纤维网面密度对复合膜力学性能影响

从图2可以看出，复合膜横向和纵向的断裂强力、撕破强力和抗弯刚度均随着麻纤维网面密度增加而增加，且纵向均大于横向。当面密度小于16 g/m2时，复合膜的断裂强力和撕破强力增幅较大，抗弯刚度增幅较小；当面密度大于16 g/m2时，复合膜的断裂强力和撕破强力增幅则相对较小，而抗弯刚度增幅较大。

纤维网面密度较低时，复合膜单位体积内的纤维数量较少，承力纤维相应较少；并且纤维间的缠结抱合也较少，纤维易被抽拔出复合膜，致使复合膜的断裂强力偏低。随着纤维网面密度增加，单位体积内的麻纤维数量增多，较多的纤维承担外力作用。同时，纤维间的缠结抱合增强，可使较多的纤维共同承受负荷，纤维抽拔力增加，因而复合膜断裂强力增大。撕裂时，纤维的伸长和滑移使复合膜在撕裂口处形成三角区，当纤维网面密度较低时，纤维数量较少且排列分散，容易被外力拉断和抽拔出复合膜，撕破强力较低；随着纤维网面密度增加，复合膜内纤维数量增多，能够承受更大的外力作用，撕破强力逐渐增大；纤维较多时使纤维间的缠结增多，纤维滑移缓冲撕破力的作用降低，撕破三角区变小，因而复合膜在横纵向的撕破强力增幅渐缓。纤维网面密度较低时，膜内纤维分散，纤维间黏结较少，复合膜的刚度较低，膜较柔软；随着面密度增加，复合膜内纤维数量增多，纤维间的缠结和黏合增加，复合膜刚度增大，柔软性降低。

综合考虑纤维网面密度变化时复合膜强力和其增幅的变化、复合膜的柔软贴地性以及原料成本，纤维网面密度取16 g/m2较合适。

2.2 麻纤维网铺层取向角度对复合膜力学性能影响

将面密度为16 g/m2的两块麻纤维网，按照铺层取向角度为0/0、0/45、0/90、45/45和45/135，分别与淀粉基塑料膜热压复合，制得麻纤维复合膜的断裂强力、撕破强力和抗弯刚度如图3所示。

图3 麻纤维网铺层取向角度对复合膜力学性能影响

由图3可以看出，当上层麻纤维网铺层取向角度0°，下层麻纤维网铺层取向角度从0°增加到90°时，复合膜纵向断裂强力减小，横向断裂强力增大；当铺层取向角度0/90时，横向断裂强力达到最大值，纵向断裂强力处于最小值；当上层麻纤维网铺层取向角度45°，下层麻纤维网铺层取向角度45°和135°时，复合膜横纵向断裂强力大小接近，但均比0/90小。

当上层麻纤维网铺层取向角度0°时，层内纤维主要分布在纵向，随着下层纤维网铺层取向角度增大，该层内纤维分布由纵向变为横向，复合膜内纵向纤维数量减少，横向纤维数量增加。拉伸时，由于横纵向承力纤维的数量发生变化，随着下层纤维网铺层取向角度增大，复合膜纵向断裂强力下降，横向断裂强力增加。当上层纤维网铺层取向角度45°，下层纤维网铺层取向角度45°和135°时，纤维分布在复合膜横向、纵向之间。当复合膜被横向或纵向拉伸时，纤维承受的拉力在复合膜横向和纵向的分力接近，复合膜横向与纵向的断裂强力差异不明显。铺层取向角度0/90时，纤维主要分布在横向和纵向，其他方向分布纤维较少，使得铺层取向角度0/90复合膜的断裂强力在横向和纵向均高于铺层取向角度45/45和45/135的复合膜。

由图3也可以看出，铺层取向角度对复合膜撕破强力和抗弯刚度影响不明显。复合膜撕破强力同时受膜本身断裂强力与撕裂三角区的大小两方面因素的共同作用，铺层取向角度变化时，断裂强力对撕破强力的增强与撕裂三角区对撕破强力的削弱相互抵消，使得复合膜的撕破强力无明显变化。抗弯刚度与纤维网本身原料的刚性相关较大，在纤维网面密度一定的前提下，纤维的排列方向对其影响不大，使得抗弯刚度变化不明显。

综合考虑复合膜断裂强力、撕破强力以及抗弯刚度的变化，纤维网铺层取向角度取0/90较合适。

2.3 麻丝束网面密度对复合膜力学性能影响

调整铺层取向角度虽然可以提高复合膜的横向断裂强力，使复合膜横向和纵向断裂强力差异明显改善，降低复合膜使用过程中的弱环效应，但该改善方法牺牲了一部分复合膜的纵向断裂强力，使得复合膜强力低于传统农用塑料地膜。麻丝束是麻纤维的集合体，强力较高，应用于复合膜有很好的增强效果。为了提高复合膜强力，本研究尝试采用麻丝束增强的方法。试验中，将麻丝束排列成一定面密度的均匀麻丝束网，两层丝束网以一定铺层取向角度内衬于上下层麻纤维网中，在热压作用下与淀粉基塑料膜复合。

将铺层取向角度为0/0、面密度为0.8 g/m2、1.6 g/m2、2.4 g/m2、3.2 g/m2和4.0 g/m2的麻丝束网分别内衬于面密度16 g/m2、铺层取向角度0/90的两层麻纤维网之间，然后与淀粉基塑料膜热压复合，制得增强型麻纤维复合膜，其断裂强力、撕破强力和抗弯刚度如图4所示。

图4 麻丝束网面密度对复合膜力学性能影响

从图4可以看出，复合膜的纵向断裂强力和撕破强力均随着麻丝束网面密度增加而增加，而横向断裂强力和撕破强力的变化不明显；复合膜横向和纵向抗弯刚度随麻丝束网面密度增加而增加，尤其在面密度超过2.4 g/m2时，复合膜抗弯刚度增幅较大。随着丝束网面密度增加，较多的麻丝束承担增强作用，复合膜断裂强力增大。由于铺层取向角度0/0的麻丝束网主要分布在复合膜纵向，因此横向增强并不明显。麻丝束网面密度对复合膜撕破强力影响的原因，也是由于面密度的变化改变了膜撕裂三角区的大小和承力载体。麻丝束网面密度对复合膜柔软性的影响主要是由于丝束的刚性以及丝束与纤维间缠结和黏合。

综合考虑麻丝束网面密度变化时复合膜性能变化，其网面密度取2.4 g/m2较合适。

2.4 麻丝束网铺层取向角度对复合膜力学性能影响

将面密度为2.4 g/m2的两块麻丝束网，按照铺 层 取 向 角 度 为0/0、0/45、0/90、45/45和45/135，分别内衬于面密度16 g/m2、铺层取向角度0/90的两层麻纤维网之间，然后与淀粉基塑料膜热压复合，制得增强型麻纤维复合膜，其断裂强力、撕破强力和抗弯刚度如图5所示。

图5 麻丝束网铺层取向角度对复合膜力学性能影响

由图5可以看出，麻丝束网与麻纤维网铺层取向角度的变化对复合膜力学性能的影响相类似。麻丝束网分布方向由纵向变化到横向时，复合膜纵向断裂强力减小，横向断裂强力增大，当铺层取向角度0/90时，复合膜断裂强力处于较佳水平。麻丝束网铺层取向角度对复合膜撕破强力和抗弯刚度的影响，与前文的研究相类似，无明显影响。

综合考虑麻丝束网铺层取向角度变化时复合膜性能变化，其铺层取向角度取0/90较合适。

3 结论

（1）麻纤维网和麻丝束网的面密度对麻纤维复合膜的断裂强力、撕破强力和抗弯刚度影响较大，随着麻纤维网面密度增加，复合膜的断裂强力、撕破强力和抗弯刚度逐渐增大；随着麻丝束网面密度增加，复合膜纵向断裂强力和撕破强力增大，横向断裂强力和撕破强力变化不明显，横向和纵向抗弯刚度增大。

（2）麻纤维网和麻丝束网的铺层取向角度对麻纤维复合膜的断裂强力影响较大，对撕破强力和抗弯刚度的影响不明显。铺层取向角度为0/90时复合膜横向断裂强力较大，与纵向断裂强力间的差异较小，有效改善了复合膜在不同方向受力时的弱环效应。

（3）制备复合膜的较优工艺参数：麻纤维网的面密度16 g/m2、铺层取向角度0/90；麻丝束网的面密度2.4 g/m2、铺层取向角度0/90。