«——【·简介·】——»

近年来，人造纤维已在很大程度上被天然纤维取代，作为聚合物复合材料的增强材料。大麻纤维由于其生物降解性、丰度、每英亩纤维产量高、生长速度快和高强度重量比高，具有用作聚合物复合材料增强的能力。

在将任何纤维或织物增强到基体中以形成复合材料之前，应研究其特性。纤维的质量对纤维增强复合材料的性能有重大影响。

多年来，研究人员使用了寿命长的人造纤维，这些纤维在使用后最终会进入垃圾填埋场。这对环境来说是一个重大问题。

对可生物降解和可再生材料的需求，这些材料可以在不牺牲所需材料特性的情况下，减少对环境的影响，这导致了由天然纤维制成的复合材料的发展。

天然纤维具有高比强度和刚度，相对较低的密度，低成本，并且在加工和生产过程中产生的污染最小，导致很少的健康问题，因此碳和生态印记较小。

天然纤维用于各种行业，包括家具、汽车、航空、建筑、船舶和飞机。由于其优越和独特的特性，研究人员预测，天然纤维增强复合材料将在未来的各种应用中得到更多的使用。

在对黄麻纤维增强环氧复合材料的力学性能研究的时候，观察到，随着束中纤维数量的增加，束强度降低。之后又研究了剑麻纤维及其聚合物复合材料的物理、机械和湿热性能。观察到剑麻纤维表现出38 GPa的拉伸模量。

还对香蕉和菠萝叶纤维增强杂化聚丙烯复合材料的力学性能。

结果表明，杂化复合材料比棉织物增强复合材料表现出更好的性能，黄麻、菠萝叶纤维和玻璃纤维增强环氧树脂和聚酯杂化复合材料的力学性能。

与环氧树脂复合材料相比，聚酯复合材料表现出更好的力学性能。

在天然纤维中，大麻是最耐用和最坚固的纤维之一，其化学成分使其成为用作聚合物复合材料增强材料的最佳选择。

通过将大麻与其他纤维结合，可以很容易地制造大麻混合材料。这种大麻混合方法保留了大麻纤维的强度，同时提供了柔软细纤维的舒适性。

大麻纤维用于各种行业，从日常用品到军事用途。绳索、绳索、地毯、毛巾、帽子、帆布、服装、家居纺织品、汽车、绝缘产品、侵蚀控制垫、船体、游艇、冲浪板、军服抗菌除臭功能袜子以及泡沫混凝土和水泥基砂浆等建筑材料只是其中的一小部分应用。

通常，FRP复合材料的性能受到纤维参数（如几何形状/横截面）的显著影响表面粗糙度、波纹、结晶度、水分含量和最重要的力量。

复合材料的结构性能主要取决于纤维增强复合材料的纤维增强性能，相反，对于织物增强复合材料，复合材料的性能取决于纤维增强的性能以及织物强度。

纤维及其织物有助于拉伸强度，增强复合材料的性能，例如刚度和强度。因此，需要了解材料特性和性能特征，以便在复合材料中使用它们。

虽然在天然纤维增强聚合物复合材料的性能研究方面已经做了大量的工作，但对天然纤维表征的研究有限。在将其用作聚合物复合材料的增强材料之前，天然纤维的特性非常重要，因为任何天然纤维的特性都会随着物种而变化。

一般来说，大麻纤维的特性受物种、地区、土壤、温度、降雨和收获时间的影响，自然界中有超过2000种大麻品种。

«——【·纤维提取·】——»

大麻以含有木本茎等污染物的生纤维束的形式收获，如图所示，切割用于从大麻纤维中去除这些污染物。在此过程中，用棍子锤击大麻茎将木质茎与纤维分离。

大麻纤维被拖过嘶吼的梳子，将锁定的股分开并形成单根、长且干净的纤维，这两种方法后产生的纤维，将它们放置在70°C的烤箱中以消除纤维中多余的水分。

«——【·物理性能测试·】——»

大麻纤维的密度根据两个不同的标准计算，即ASTM D3800和ASTM D1577。第一种方法使用阿基米德原理，其中空气和液体介质中材料重量的差异用于确定密度。

对于目前的研究，丙酮被用作液体介质而不是蒸馏水，因为丙酮的密度小于水的密度，并且发现纤维半浸没在蒸馏水中。

第二种方法使用线性密度法来确定密度。最初，使用光学显微镜（徕卡，DM2500 M）和扫描电子显微镜（SEM）（JEOL JSM-6480 LV）测定光纤的直径。切割固定长度的纤维，并在称重机的帮助下找出它们的重量。

«——【·纤维机械性能测试·】——»

大麻纤维的拉伸模量根据ASTM C1557-20测定，用于测试的单根纤维是从束中随机提取的，长度足够长，以便于抓取和处理。

为了便于机器抓取纤维，使用了安装片，将待测光纤放置在安装片的中间，并使用环氧粘合剂将光纤的末端粘合到安装片上。

考虑了三种不同的表压长度进行测试，即 25.4、50.8 和 76.2 毫米。精心将制造样品放置在英斯特朗 8862 的夹持器内，该夹具的最大负载能力为 100kN。

将样品紧紧夹在夹持器之间后，安装卡舌的中规部分被切掉，以便光纤承受负载。负载以0.05毫米/分钟的速率给出，每个量具长度至少测试3个样品。

«——【·织物机械性能测试·】——»

织物的断裂强度定义为，在承受单轴拉伸载荷时可以承受而不会撕裂的最高载荷。织物的断裂强度和伸长率有两个不同的程序确定，即抓取测试和剥离法。

对于抓取测试，从两种织物上切割出150毫米长，100毫米宽的试样，其中单向织物中的纤维在平行于施加力和测试方向的长度方向上对齐。

使用测试方法G-E，该方法表示以恒定的延伸率进行的抓取测试，为了进行条带测试，从织物上切割出150毫米长，62毫米宽的试样。

为了达到 50 mm 的测试宽度，从每侧拉动相同数量的纱线。采用测试方法2 R-E，即以恒定的延伸率进行50 mm的拉毛条测试。

将样品装入机器，使标距长度为75 mm。在抓取和带材测试中，加载速率保持在 300 mm/min 不变。

«——【·物理性质·】——»

使用SEM和光学显微镜图像，在来自56个不同位置的多个样品上测量了纤维的直径。正态分布的直径分布和拟合曲线.观察到大麻纤维的直径约为106μm至142μm，平均直径为123.73μm，标准偏差为7.82μm。

发现大麻纤维的平均线密度为1.5545×10−5公斤/米。

发现大麻纤维的平均密度为1308.425±168.387 kg/m3，使用阿基米德原理测定的平均密度为1196.628 kg/m3.

«——【·扫描电镜和电子放电管研究·】——»

在SEM下观察到的大麻纤维表面被发现粗糙而干净，纤维束和原纤维排列在纤维轴上。EDS揭示了大麻纤维的元素分析和组成。

C（碳）和O（氧）的信号表明纤维本质上是有机的，在元素分析中也观察到Ca（钙），这对于植物代谢和各种与生长相关的生理过程至关重要。

观察到其他元素的痕迹，如Al（铝）和Si（硅），微量的Mg（镁），K（钾）和Fe（铁）可能来自土壤。

大麻纤维中有五种主要成分，分别是纤维素、半纤维素、木质素、果胶和蜡，可分为两类。在FTIR光谱中，在1527厘米附近观察到微弱吸收−1和 1246 厘米−1，分别对应于C=O和G环拉伸和C=C芳香族对称拉伸，表明木质素的存在。

提取后，吸光度约为1527厘米−1与水的存在相关，水的存在由OH弯曲表示，表明水的存在。该吸光度在1729厘米的范围内−1，这可以归因于所研究的蜡和果胶中存在C = O（羰基）。

改变纤维素的结晶度会使红外光谱中的特定条带更加灵敏，可用于计算结晶度指数（CI傅里叶变换红外光谱）的纤维素。

1435 cm处的吸光度峰比−1和 898 厘米−1， 1381 cm−1至 2920 cm1， 1381 cm−1至 673 厘米−1和 1381 厘米−1至 2920 厘米−1最常用于确定置信区间。

1381厘米的比例−1至 2920 厘米−1和1381厘米−1至673厘米−1在目前的工作中太低，使它们不适合评估，而比率为1435厘米。−1至 898 厘米−1为64.4%。

而结果则表明，比例为1435厘米−1至 898 厘米−1更适合CI评估。

«——【·纤维结晶度·】——»

在大麻纤维的X射线衍射图中观察到的2θ = 22.4°处的主要结晶峰强度约为2700，对应于纤维素晶体平面（002，布拉格反射）。

在2θ = 18.3°时，观察到002和110个峰之间的波谷，对应于无定形强度（I是)，The CI磁共振大麻纤维的85.25%。

高CI表明大麻纤维的机械性能更好，在衍射图中观察到的其他晶体平面，即（1¯101ˉ10）、（110）和（004）在2θ = 12.95°，2θ = 14.7°和2θ = 36.1°处的明确定义的峰处获得。

去卷曲的结晶峰和非晶峰可以在图中看到，反卷积产生了一条曲线，该曲线拟合原始数据，R 平方值为 0.992。

测定了所有晶峰的总面积和面积，结晶度为49.37%。Segal的经验方法和反卷积方法获得的结晶度的巨大差异可归因于无定形纤维素的宽峰。

这些宽峰导致重叠峰，这些峰无法解卷积成窄衍射峰，导致结晶度值降低。

观察到通过XRD和FTIR测量的大麻纤维的CI存在差异，纤维素结晶度结果的差异可能有很多原因。尽管FTIR光谱包含对应于无定形和结晶区域的峰，但它是测定天然纤维结晶度的最合适方法。

对于天然纤维，使用XRD衍射图测定结晶度时，有几个缺点是无法消除的，由于纤维素微晶的尺寸较小，因此单斜晶系纤维素的峰重叠注定会发生在2θ = 18°左右，因此I的值较低或较高是。

从不同物种获得的纤维素具有不同的晶粒尺寸和表观细胞参数，这会影响结晶峰I002，从而影响峰的相对强度。基于获得的因素和结果，对于天然木质纤维素纤维，FTIR方法更适合CI评估。

«——【·纤维的机械性能·】——»

各种表压长度的大麻纤维的应力-应变图如图所示图7.可以观察到，大麻纤维的应力-应变图本质上是线性的。

可以看出，应变值突然下降，表明大麻纤维的脆性。观察到大麻纤维的平均应变为1.08%，标准差为0.31%。还可以看出，大麻纤维的拉伸强度从302到941 MPa不等，平均值为640 MPa，标准差为205 MPa。

发现大麻纤维的拉伸模量从46.726 GPa到77.397 GPa不等，平均值为59.053 GPa，标准差为8.448 GPa。测试是在假设每根纤维的直径等于平均直径的情况下进行的。

这导致结果中的标准偏差更高，因此，可以得出结论，大麻纤维增强复合材料将具有较高的机械强度，可与玻璃纤维增强复合材料相媲美。

在这两种情况下，剥离方法在撕裂前表现出更高的伸长率，但断裂力高于抓取测试。对于给定的力，在BD织物的情况下，剥离方法比抓取测试产生更多的伸长率。

在UD织物的情况下，抓取测试比剥离方法产生更大的伸长率。抓取测试和剥离法两种织物的断裂力和断裂力下的表观伸长率显示在下图。

数据显示，UD织物比BD织物需要更多的断裂力，而BD织物的断裂伸长率大于UD织物。这些织物具有与玻璃织物相当的断裂力。

«——【·差式扫描量热分析·】——»

采用DSC分析研究大麻纤维的热行为，得到的大麻纤维DSC曲线如下：在50–100°C的温度范围内，DSC曲线显示出吸热峰值。

纤维细胞间区域中自由水的蒸发可能导致吸热区域吸收热量，通常，附着在纤维中纤维素上的连接水比游离水更难去除。

为了去除链接的水，需要更高的温度，这可以在大约100°C的曲线中观察到扭结，在62.16°C下观察到的峰谷可能是材料开始降解的起点。这个波谷代表 Tg，其中纤维从玻璃/结晶状态到皮革状态发生相变。

结论

从原纤维束中提取纤维是通过使用切割和呵斥等方法完成的，研究了大麻纤维和织物的物理力学性能。发现直径分布曲线遵循正态分布，平均为123.73±7.82μm。

发现大麻纤维的密度为1196.628 kg/m3根据阿基米德原理，SEM分析发现表面粗糙。EDS显示C和O的存在，表明纤维是一种有机材料。

FTIR显示大麻纤维中存在木质素，纤维素，半纤维素，果胶和蜡，词傅里叶变换红外光谱发现为 64.4%，而 CI磁共振按Segal和反卷积法计算时分别为85.25%和49.37%。

大麻纤维的应力-应变图表明，织物的拉伸模量更高，为58.6±8.81 GPa，断裂强度较高，与合成玻璃纤维相当。

发现平均菌株约为1%，高CI与玻璃纤维相当的拉伸模量和高最大应变率使大麻纤维，及其织物成为聚合物复合材料的潜在增强材料。

参考文献：

Adesina, I., A. Bhowmik, H. Sharma, and A. Shahbazi. 2020. A review on the current state of knowledge of growing conditions, agronomic soil health practices and utilities of hemp in the United States. Agriculture 10 (4). doi:10.3390/agriculture10040129. [Crossref], [Google Scholar]

Ali, A., K. Shaker, Y. Nawab, M. Jabbar, T. Hussain, J. Militky, and V. Baheti. 2018. Hydrophobic treatment of natural fibers and their composites—A review. Journal of Industrial Textiles 47 (8):2153–14. doi:10.1177/1528083716654468. [Crossref] [Web of Science ®], [Google Scholar]

Anurag, J., and S. Biswas. 2020. Thermo-Mechanical Analysis of unidirectional PALF composites using micromechanical approach. In Advances in Applied Mechanical Engineering, ed. H. K. Voruganti, K. K. Kumar, P. V. Krishna, and X. Jin, 475–84. Springer Singapore. doi:10.1007/978-981-15-1201-8_53. [Crossref], [Google Scholar]

Aruchamy, K., S. Pavayee Subramani, S. Kumar Palaniappan, B. Sethuraman, and G. Velu Kaliyannan. 2020. Study on mechanical characteristics of woven cotton/bamboo hybrid reinforced composite laminates. Journal of Materials Research and Technology 9 (1):718–26. doi:10.1016/j.jmrt.2019.11.013. [Crossref], [Google Scholar]

Barbetorte. 2009. A hemp field in Cˆotes-´darmor, Brittany, France. https://en.wikipedia.org/wiki/Hemp#/media/File:La_Roche_Jagu_chanvre_1.JPG. Accessed 16 May 2021 [Google Scholar]

Barth, M., and M. Carus. 2015. Carbon footprint and sustainability of different natural fibres for biocomposites and insulation material. Hürth: Nova-Institute. http://eiha.org/media/2017/01/15-04-Carbon-Footprint-of-Natural-Fibres-nova1.pdf. [Google Scholar]

Chen, X., H. Deng, J. A. Heise, D. P. Puthoff, N. Bou-Abboud, H. Yu, and J. Peng. 2021. Contents of cannabinoids in hemp varieties grown in Maryland. ACS Omega 6 (47):32186–97. doi:10.1021/acsomega.1c04992. [Crossref] [PubMed] [Web of Science ®], [Google Scholar]

Cherrett, N., J. Barrett, A. Clemett, M. Chadwick, and M. J. Chadwick. 2005. Ecological footprint and water analysis of cotton, hemp and polyester. Sweden: Stockholm Environmental Institute. https://www.sei.org/publications/ecological-footprint-water-analysis-cotton-hemp-polyester/ [Google Scholar]