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- No.5, 2024 -
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本/期/推/荐
亚麻/聚乳酸芯鞘编织结构复合材料纱线
DOI: 10. 19884/j.1672-5220.202402006
引用本文：ISLAM M A, WANG R J, CHEN W, et al. Flax/polylactic acid (PLA) core/sheath structural composite yarn fabricated by spindle braiding technique[J]. Journal of Donghua University (English Edition), 2024, 41(5): 451-460.
原文链接：
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作者简介
第一作者
ISLAM Md Azizul，东华大学纺织学院硕士研究生，从事绿色复合材料研究。
通信作者
许福军，东华大学教授，博士生导师，从事纺织结构复合材料、三维纺织功能材料和新型纤维及智能织物的研究。主持国家自然科学基金、上海市自然科学基金等多项国家级和省市级科研项目，并在国际知名期刊上发表了100余篇SCI收录论文，拥有50项授权国家发明专利。
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文章详情
摘要
可持续和环保材料的需求日益增长，推动了绿色复合材料的研究发展。该研究以4~24锭的聚乳酸(PLA)长丝为鞘、亚麻纱线为芯纱编织成亚麻/PLA芯鞘结构复合纱线。经不同温度(180 ℃和190 ℃)熔融固化后，制得亚麻/PLA复合材料纱线。拉伸试验结果表明，在180 ℃的固化温度下，4锭亚麻/PLA复合材料纱线的弹性模量为（5.79±0.65）GPa，拉伸强度为（162.17±18.18）MPa。该亚麻/PLA复合材料纱线具有良好的力学性能，有望用于汽车制造业和建筑材料。
背景介绍
由于对环境和可持续性问题的关注，绿色复合材料越来越受到人们的关注和重视。绿色复合材料的力学性能提升仍然备受关注，其中麻纤维和PLA分别是最常见的绿色复合材料增强体和基体。麻纤维属于短纤维，因此想要形成织物增强体，势必要对其加捻以形成纱线。纱线加捻一方面会降低纤维强度利用率，另一方面极大影响基体在织物内的浸润效果，特别是三维织物。
为了提高基体在增强体内的浸润效果，我们利用编织方法制备了以PLA长丝为鞘、亚麻纱线为芯的编织复合纱线。采用加热熔融方法，进一步得到了亚麻/PLA复合材料纱线，探究了编织锭数与纱线形态对纱线力学性能和热学性能的影响。
文章亮点
1) 以PLA长丝为鞘、亚麻纱线为芯纱，通过编织技术制备了编织复合纱线，快速高效。
2) 亚麻/PLA芯鞘结构复合纱线具有良好的可织性，外层PLA可减少亚麻纤维在织造过程中的损伤。
3) 亚麻/PLA芯鞘结构复合纱线可以通过加热熔融一步快速成型，具有良好的浸润效果和界面性能。
图文解读
采用2 700 tex （300 D）的PLA长丝为鞘，200 tex亚麻纱线为芯纱，通过二维编织方法分别制备了4锭、6锭、8锭、12锭、24锭5种不同锭数的编织复合纱线。编织复合纱线分别在180 ℃和190 ℃条件下熔融固化15 min，最终得到亚麻/PLA复合材料纱线 (见图1)。
图1 亚麻/PLA复合材料纱线的制备工艺：
(a)编织工艺；(b)固化工艺；(c)亚麻/PLA复合材料纱线的结构
对亚麻/PLA复合纱线加热固化前后的形态和尺寸进行了表征。纱线经过熔融后表面PLA的纤维形态消失，转变为光滑表面，这表明在加热过程中PLA从纤维形态向树脂基体的转变。此外，在所有的试验中均发现复合纱线在加热熔融后存在显著的、不同程度的直径减小的现象。这主要是由两个原因导致的：一是在熔融过程中，PLA由疏松的有空隙的纤维集合体向致密的聚合物树脂变化；二是在熔融过程中，由于亚麻纤维的毛细作用，PLA熔体向亚麻芯纱内部渗透浸润。
图2 亚麻/PLA复合纱线固化前后形态及尺寸变化：
（a）4锭复合纱线；（b）6锭复合纱线；（c）8锭复合纱线；（d）12锭复合纱线；（e）24锭复合纱线；（f）亚麻纱线；（e）纱线直径
复合纱线的拉伸应力-应变曲线如图3所示。编织纱线熔融固化后得到复合材料纱线，其拉伸强度都有数倍提升。其中，4锭编织纱线熔融固化后形成的复合材料纱线的拉伸强度最高。这主要是由于其较高的增强纤维体积分数和较好的浸润性。在纱线横截面的扫描电子显微镜图像中可以看到4锭复合材料纱线内部无明显的空隙，而24锭复合材料纱线内部的空隙明显较多(见图4)。
图3 亚麻/PLA复合纱线的拉伸应力-应变曲线：
(a) 4锭；(b) 6锭；(c) 8锭；(d) 12锭；(e) 24锭
图4亚麻/PLA复合材料纱线截面：
(a) 4锭（固化温度，180 ℃）；(b) 24锭（固化温度，190 ℃）
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结论与展望
该研究所设计制备的亚麻/PLA复合材料纱线具有良好的力学性能，浸润性良好，可设计性和可编织性强，有望改善三维结构绿色复合材料的基体浸润效果，推动绿色复合材料在高性能领域（如汽车工业、航空航天、建筑等）的进一步应用。
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