黃麻纖維增強樹脂基復(fù)合材料的研究進展

趙 帆,張建偉,張 瑩,沈 悅

(1.陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西西安 710038；2.山東諸城高級技工學(xué)校，山東諸城 262200)

黃麻纖維增強樹脂基復(fù)合材料的研究進展

趙 帆1,張建偉1,張 瑩1,沈 悅2

(1.陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西西安 710038；2.山東諸城高級技工學(xué)校，山東諸城 262200)

介紹了黃麻纖維的結(jié)構(gòu)和性能，綜述了黃麻纖維/樹脂界面相容性、成型工藝等黃麻纖維增強樹脂基復(fù)合材料研究的熱點問題，對黃麻纖維復(fù)合材料的發(fā)展趨勢進行了展望，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。

黃麻纖維 樹脂基復(fù)合材料 界面相容性 成型工藝

近年來，隨著人們環(huán)境保護意識的增強，植物纖維因其可再生性和可降解性，在高新技術(shù)復(fù)合材料開發(fā)領(lǐng)域越來越多的受到關(guān)注。黃麻纖維具有質(zhì)輕價廉、較高的比強度和初始模量等優(yōu)點[1]，可以代替芳綸、玻璃纖維等合成纖維作復(fù)合材料增強體，具有廣闊的應(yīng)用前景，成為研究工作的熱點。本文介紹了黃麻纖維的結(jié)構(gòu)和性能，綜述了黃麻纖維/樹脂界面相容性、成型工藝等黃麻纖維增強樹脂基復(fù)合材料研究的熱點問題，對黃麻纖維復(fù)合材料的發(fā)展進行了展望，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供參考。

1 黃麻纖維的結(jié)構(gòu)和性能

1.1 結(jié)構(gòu)

黃麻，椴樹科，一年生草本植物，是亞熱帶、熱帶地區(qū)常見的經(jīng)濟作物，產(chǎn)量高，價格低廉。我國產(chǎn)量位居世界第三位[2]，廣泛分布于長江流域和華南地區(qū)。黃麻纖維來源于韌皮組織，基本結(jié)構(gòu)單元是原纖狀長鏈纖維素，是一種典型的纖維素纖維[3]，其化學(xué)組成如表1。

黃麻纖維表面呈竹子節(jié)狀或X型節(jié)狀，細胞厚度整齊，沒有天然卷曲，單根纖維長度非常短，約1.5-5mm[4]，參差不齊。黃麻纖維的結(jié)晶度介于苧麻和棕櫚纖維之間[5]。

表1 黃麻纖維的化學(xué)成分

1.2 性能

黃麻纖維與其它幾種可用于復(fù)合材料增強用纖維的力學(xué)性能對比如表2。

表2 黃麻纖維與常見的復(fù)合材料增強用纖維力學(xué)性能對比

由表2可以看出，黃麻纖維的拉伸強度和拉伸模量適中，斷裂伸長率低，適用于制備增強材料。由于黃麻纖維的密度較小，比強度和比模量較高，與E-玻璃纖維相當(dāng)。

羅琦[6]對黃麻纖維進行了熱失重分析，表明黃麻纖維在200℃以下質(zhì)量不發(fā)生明顯下降，為熱壓成型工藝溫度的選擇提供了依據(jù)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，黃麻纖維起始分解溫度為332℃，熱穩(wěn)定性良好，優(yōu)于苧麻和棕櫚纖維。劉桂陽[7]從宏觀上進行了黃麻纖維熱穩(wěn)定性試驗，結(jié)果表明，黃麻纖維在185℃加熱5分鐘，強度無明顯變化。

2 改進黃麻纖維/樹脂基體界面相容性的方法

黃麻纖維是一種纖維素纖維，分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基官能團，分子鏈之間和分子鏈內(nèi)部氫鍵作用強烈，表現(xiàn)出較強的極性和親水性。如何提高親水的極性黃麻纖維與疏水的非極性樹脂基體界面之間的相容性成為首要解決的問題。目前，改進黃麻纖維/樹脂基體界面相容性的方法主要有堿處理法、界面偶合法、基體改性法、復(fù)合處理法等。

2.1 堿處理法

堿處理法就是將黃麻纖維用NaOH浸泡，用水洗至中性，然后烘干。堿處理法一方面可以溶解黃麻纖維中部分果膠、木質(zhì)素等低分子雜質(zhì)，提高分子取向度，使纖維表面變得粗糙，增強纖維與樹脂之間的機械鎖結(jié)力；另一方面，堿處理可以使纖維內(nèi)部原纖化，纖維的強度和模量顯著提高，纖維與樹脂基體的有效接觸面積明顯增加[8]。研究表明處理時間和堿液濃度是影響堿處理法效果的主要因素。

D.Ray等[9]研究了堿處理時間對黃麻纖維機械性能的影響。結(jié)果表明：將纖維在30℃、5%的NaOH溶液中處理4小時后強度和模量略有提高，處理8小時后，強度和模量分別提高45%和79%，纖維的線密度隨著處理時間的增長不斷減小。

楊亞洲[10]等研究了堿處理時間對熱壓工藝條件下黃麻纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：纖維經(jīng)濃度為20g/L的NaOH溶液處理2小時后，復(fù)合材料的拉伸強度和沖擊強度提升最大，提升幅度分別為13.5%和25%。

劉曉燁[11]等以黃麻纖維/聚丙烯體系的界面剪切強度為考察對象，在室溫條件下選用了濃度為0.5%、1%、2%、5%、10%的NaOH溶液對纖維處理1小時。結(jié)果表明：隨著堿液濃度的增大，纖維與樹脂的界面剪切強度先增大后減小，當(dāng)濃度為2%時達到最大值。與未處理的纖維相比，界面剪切強度增大64%。

2.2 界面偶合法

界面偶合法是一種利用偶聯(lián)劑與黃麻纖維形成共價鍵來改善纖維與基體間界面相容性的方法。纖維和偶聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)后，表面的羥基數(shù)量減少，纖維極性減弱，吸水率降低；另一方面，偶聯(lián)劑處理使纖維和聚合物之間形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作用，降低了纖維自身的溶脹效應(yīng)。處理黃麻纖維常用的是硅烷偶聯(lián)劑。這類偶聯(lián)劑在弱酸條件下可以水解生成硅烷醇，硅烷醇在加熱條件下與黃麻纖維表面的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。偶聯(lián)劑的用量是影響黃麻纖維表面改性效果的主要因素。

湯棟等[12]采用3% KH-560硅烷偶聯(lián)劑在90℃條件下對黃麻纖維氈進行了表面處理，并制備了黃麻纖維氈/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。結(jié)果表明：硅烷偶聯(lián)劑處理后，復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度提升明顯，彎曲強度提升50%以上。通過對復(fù)合材料拉伸斷口的掃描電鏡照片觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過KH-560處理后，纖維表面出現(xiàn)了明顯的橫紋豎節(jié)，粗糙程度大大改善。

趙磊等[13]采用2% A-151硅烷偶聯(lián)劑在80℃條件下對黃麻纖維氈進行了表面處理，并采用真空輔助樹脂傳遞模塑法制備了黃麻纖維氈/乙烯基酯樹脂復(fù)合材料。結(jié)果表明：由于A-151硅烷偶聯(lián)劑破壞了黃麻纖維素分子鏈間的氫鍵作用，處理后纖維的拉伸強度和拉伸模量均有下降。由于A-151分子結(jié)構(gòu)中還含有碳碳雙鍵，提高了偶聯(lián)劑與乙烯基酯樹脂的反應(yīng)活性，復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提升。

2.3 基體改性法

基體改性法是通過對樹脂基體進行修飾來提高黃麻纖維與樹脂基體界面結(jié)合性能的一種方法。目前常用的改性方法是通過在基體大分子鏈上接枝共聚極性單體來改變樹脂表面的極性。

丁立波[14]用馬來酸酐接枝聚丙烯和聚丙烯均勻混合的方法來改性聚丙烯基體，制備了黃麻纖維增強聚丙烯復(fù)合材料。結(jié)果表明，改性后有效改善了聚丙烯基體與纖維間的界面相容性，用改性后的基體制備的復(fù)合材料沖擊強度明顯提高。黃麻纖維的添加比例不同，復(fù)合材料的沖擊強度均提高10%以上。

田雅娟[15]等用熔融擠出的方法制備了乙烯基硅烷接枝聚丙烯，以此為基體與黃麻纖維制備了復(fù)合材料。紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，乙烯基硅烷成功接枝到了聚丙烯分子鏈上。當(dāng)黃麻纖維添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，與未改性的聚丙烯/黃麻纖維復(fù)合材料相比，拉伸強度和沖擊強度分別增加了33.3%和43.8%。

2.4 復(fù)合處理法

復(fù)合處理法就是從2.1-2.3中選擇兩種方法進行處理，考慮到工藝復(fù)雜性和助劑配伍性等因素，目前，該種處理方法報道較少。

劉曉燁[16]等提出了利用NaOH溶液和馬來酸酐接枝聚丙烯乳液進行黃麻纖維氈表面復(fù)合處理的工藝方法。結(jié)果表明：與只進行堿處理相比，經(jīng)2%NaOH溶液處理，再經(jīng)過1%馬來酸酐接枝聚丙烯乳液處理后，材料的力學(xué)性能進一步提高。通過對材料斷面的掃描電鏡觀察證實了纖維和基體間的結(jié)合更加牢固。

王國杰[17]等提出了利用NaOH溶液和偶聯(lián)劑復(fù)合處理黃麻纖維的方法，制備了黃麻增強聚氨酯制品。結(jié)果表明：處理方式是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素。微觀觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堿液與偶聯(lián)劑復(fù)合處理的黃麻纖維與聚氨酯基體的浸潤性優(yōu)于單一處理方式。

3 成型工藝

3.1 模壓成型工藝

模壓成型是將樹脂與增強體混合體系在模具內(nèi)加熱塑化、加壓流動并充滿膜腔成型復(fù)合材料的一種工藝。增強體的形態(tài)不同工藝有所不同。

楊菲[18]等以堿處理后的黃麻纖維作為增強相，用模壓法制備了黃麻/豆腐渣/淀粉復(fù)合材料。結(jié)果表明：當(dāng)豆腐渣/淀粉質(zhì)量比為3:1，黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，熱壓強度為6MPa，熱壓溫度為80℃，熱壓時間為2分鐘時，復(fù)合材料的拉伸斷裂強度最優(yōu)。

曾竟成[19]等采用模壓法制備了黃麻有捻纖維束、黃麻布增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，對比發(fā)現(xiàn)，黃麻有捻纖維復(fù)合材料單向性能優(yōu)于黃麻布復(fù)合材料，與玻璃纖維布復(fù)合材料相當(dāng)。

杜兆芳[20]等以黃麻纖維氈為增強相，用模壓法制備了黃麻/聚丙烯復(fù)合板材，研究了熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力等工藝參數(shù)對復(fù)合板材性能的影響。結(jié)果表明：黃麻、聚丙烯的混合比為70:30，熱壓強度為4MPa，熱壓溫度為170℃，熱壓時間為4分鐘時，板材的拉伸強力和彎曲強力最大。

3.2 注塑成型工藝

注塑成型又稱注射模塑成型，是指在一定溫度下，通過螺桿攪拌完全熔融的樹脂材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型品的方法，是一種注射兼模塑的成型方法。具有可以制造形狀較為復(fù)雜的制品、易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點。

龍洪生[21]等通過注塑工藝制備了長黃麻纖維增強高密度聚乙烯復(fù)合材料。結(jié)果表明：當(dāng)黃麻纖維含量為45%，浸漬模具溫度為210℃時，復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度最優(yōu)，比純高密度聚乙烯分別提高了49.1%和137%。

張安定[22]等討論了注塑成型黃麻纖維增強聚丙烯的制備方法和力學(xué)性能。結(jié)果表明：隨纖維含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強度和模量是遞增的。當(dāng)纖維含量超過10%時，試樣拉伸強度變化不大。黃麻纖維長度對復(fù)合材料的機械性能影響顯著。隨著長度增加，復(fù)合材料的強度和模量是遞增的，沖擊強度和伸長率是遞減的。

3.3 樹脂傳遞模塑工藝

樹脂傳遞模塑工藝是在一個密閉模腔內(nèi)填充纖維增強材料，在一定壓力下將樹脂注入模腔，使其浸透增強體，固化成型。具有環(huán)保、制造尺寸精確、操作壓力小、適用性廣等優(yōu)點，目前在成型工藝的選擇上競爭力明顯。真空輔助樹脂傳遞法主要是依靠真空將樹脂吸入模腔內(nèi)，是一種改進了的樹脂傳遞模塑工藝。趙磊以黃麻纖維針刺氈為增強體，乙烯基樹脂為基體，采用真空輔助成型法制備了增強復(fù)合材料，研究了真空輔助成型工藝中樹脂流動的理論模型及對樹脂的要求。

4 展望

目前，對于黃麻纖維增強樹脂基復(fù)合材料的研究主要集中在成型工藝、制備方法、界面改性等方面，這些研究對于制備高性能的黃麻纖維復(fù)合材料仍然具有重要意義，還需要進一步探索。例如，進一步優(yōu)化制備工藝條件以滿足工業(yè)化生產(chǎn)；開發(fā)基體改性試劑使復(fù)合材料增強增韌等。同時，還要關(guān)注黃麻纖維在復(fù)合材料領(lǐng)域替代合成纖維及全降解型黃麻纖維復(fù)合材料的研究，完全實現(xiàn)環(huán)境友好。

[1] 郭亞，孫曉婷.黃麻纖維的性能及應(yīng)用[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2016(2)：178-181.

[2] 楊亞洲.仿生啞鈴型黃麻纖維增強摩擦材料[D].長春:吉林大學(xué), 2006.

[3] 趙磊.黃麻纖維針刺氈增強乙烯基樹脂復(fù)合材料的制備與性能[D].上海:東華大學(xué), 2008.

[4] 唐曉寧,郭肖青,孫凱凱.黃麻纖維性能及其改性處理[J].現(xiàn)代紡織技術(shù),2013(4):57-59.

[5] 刁均艷,潘志娟.黃麻、苧麻及棕櫚纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與性能[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版),2008,28(6):39-43.

[6] 羅琦.黃麻纖維增強聚丙烯基復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能的研究[D].上海:東華大學(xué), 2010.

[7] 劉桂陽.黃麻/PHB復(fù)合材料性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010(11):19-21.

[8] 魯博,張林文,曾竟成，等.天然纖維復(fù)合材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1-10.

[9] D.Ray,B.K.sarkar,A.K.Rana,N.R.Bose. Impact fatigue behaviour of vinylester resin matrix composites reinforced alkali jute treated fibers[J].ComPosites,2002(33):233-241.

[10]楊亞洲,佟金,馬云海,等. 改性黃麻纖維和酚醛樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,31(6):788-792.

[11]劉曉燁,戴干策.黃麻纖維增強聚丙烯界面剪切強度的研究[J].中國塑料,2007,21(7):24-28.

[12]湯棟,趙玉萍,張娟.黃麻纖維的表面改性對其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(5):3052-3054.

[13]趙磊,俞建勇,高晶.黃麻纖維氈的表面處理及其增強復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2009(7):10-15.

[14]丁立波.偶聯(lián)劑對黃麻增強聚丙烯復(fù)合材料沖擊強度的影響研究[J].廣東化工,2012,39(10):66.

[15]田雅娟,石光,王云,等.乙烯基硅烷接枝聚丙烯對聚丙烯/黃麻纖維復(fù)合材料性能的影響[J].塑料工業(yè),2015,43(2):35-37.

[16]劉曉燁,戴干策.黃麻纖維氈的表面處理及其增強聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報,2006,23(5):63-69.

[17]王國杰,孫宇,曹春平,等.黃麻纖維增強聚氨酯復(fù)合材料的拉伸性能研究[J]. 塑料工業(yè),2012,40(8):81-88.

[18]楊菲,徐山青.黃麻/豆腐渣/淀粉復(fù)合材料的制備及其性能[J]. 紡織學(xué)報,2014,35(8):44-48.

[19]曾竟成,肖加余,梁重云,等.黃麻纖維增強聚合物復(fù)合材料工藝與性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2001(2):30-33.

[20]杜兆芳,張元明,黃晨,等.熱壓工藝對黃麻/聚丙烯復(fù)合板材性能的影響[J]. 蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版),2006,26(6):19-21.

[21]龍洪生,薛平,丁筠,等.熔融浸漬法制備PE-HD/黃麻纖維復(fù)合材料工藝及性能研究[J]. 中國塑料,2015,29(6):24-27.

[22]張安定,馬勝,丁辛,等.黃麻纖維增強聚丙烯的力學(xué)性能[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料,2004(2):3-5.

2016-08-20

趙帆(1984-)，工程師，研究方向：先進紡織技術(shù)。

張建偉(1983-)，碩士，工程師。

TS102

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1008-5580(2017)01-0220-04