堿處理對(duì)洋麻纖維結(jié)構(gòu)與性能影響研究

文/王靈雪 費(fèi)建武 任子龍

1 引言

在眾多麻纖維中，洋麻纖維以其優(yōu)良的力學(xué)性能、較低的價(jià)格、巨大的生物產(chǎn)量（為樹木的3～5倍）、極強(qiáng)的CO2吸收能力（為森林的4～5倍）以及種植土壤要求低等特點(diǎn)脫穎而出，被視為21世紀(jì)未來(lái)派優(yōu)勢(shì)作物[1,2]。洋麻纖維及其產(chǎn)品研究與開發(fā)對(duì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

洋麻纖維優(yōu)良的力學(xué)性能使其在復(fù)合材料領(lǐng)域具有強(qiáng)大的潛力，然而，洋麻表面的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等含有大量羥基，纖維素大分子鏈之間及其內(nèi)部強(qiáng)烈的氫鍵作用，使洋麻纖維表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性和親水性，從而導(dǎo)致呈親水性的洋麻纖維與疏水性樹脂基體間的相容性較差。因此，在制備洋麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料前需要對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善兩者界面間的粘結(jié)性，達(dá)到提升復(fù)合材料力學(xué)性能的目的[3,4]。

堿處理是纖維表面改性最有效的方法之一，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都研究了通過(guò)堿處理來(lái)提高天然纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能[5]。Ming Cai et al[6]等人研究表明馬尼拉麻經(jīng)過(guò)5 wt.% NaOH處理2 h后，纖維的結(jié)晶度、拉伸強(qiáng)度和模量都有不同程度的提高，同時(shí)馬尼拉麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度也得到改善。Gomes et al[7]等人研究表明麻纖維經(jīng)過(guò)10 wt.%的堿處理后，表面粗糙度和拉伸強(qiáng)度都有較明顯的改善。Saha et al8]等人研究表明黃麻纖維經(jīng)過(guò)0.5wt.%的堿處理后，拉伸強(qiáng)度提高了65%。王春紅[9]等人研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1wt.%的堿處理后，竹原纖維的表面能降低了63.64%，竹原纖維與聚丙烯之間的粘附功提高了67.18%。

本研究旨在通過(guò)采用不同濃度的堿處理洋麻纖維，研究堿處理對(duì)洋麻纖維的直徑、拉伸強(qiáng)度、表面摩擦、FTIR以及表面微觀結(jié)構(gòu)等性能的影響，為提高洋麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面結(jié)合性能提供基礎(chǔ)研究。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

洋麻纖維：由馬來(lái)西亞木材工業(yè)局（TIBM）提供，已經(jīng)過(guò)初步的漚麻處理；氫氧化鈉：天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

Instron萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)：3369型（美國(guó)英斯特朗公司）；掃描電子電鏡（SEM）：TM-1000型（日本日立公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）：Nicolet5700型（美國(guó)熱電公司）；纖維摩擦儀：Y151型（常州第二紡織機(jī)械廠）；生物圖像電腦分析系統(tǒng)：WV-CP4601CH型（北京泰克儀器有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9070A型（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；水浴鍋：HHZK8型（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；電子天平：MS105DU型（北京中儀公司）。

2.3 洋麻纖維堿處理

洋麻纖維與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量比為1:20，氫氧化鈉液濃度分別為1wt.%、2 wt.%、3 wt.%。在100℃的水浴鍋中煮40min，每隔10min攪拌一次。然后用溫水洗滌至中性，最后在80℃的烘箱中烘干待用。

2.4 洋麻纖維性能測(cè)試

2.4.1 洋麻纖維直徑

洋麻纖維直徑測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)SN/T 2672—2010《紡織原料細(xì)度試驗(yàn)方法（直徑）顯微鏡投影儀法》，每種纖維測(cè)試30根，每根纖維測(cè)試5個(gè)點(diǎn)求得平均值。

2.4.2 洋麻纖維強(qiáng)度

洋麻纖維的拉伸強(qiáng)度參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1294-05《1英寸（25.4毫米）規(guī)準(zhǔn)長(zhǎng)度羊毛纖維束的拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。測(cè)試樣品數(shù)量為20個(gè)，拉伸隔距為25.4mm，控制在拉伸隔距內(nèi)的纖維重量為15mg～25mg，拉伸速度250mm/min。

2.4.3 洋麻纖維傅里葉紅外光譜掃描

采用傅里葉紅外光譜分析儀對(duì)洋麻纖維表面的基團(tuán)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試用探測(cè)器為DLATG，Diamond ATR附件，波數(shù)范圍選擇為4000cm-1至400cm-1，單個(gè)光譜掃描次數(shù)128次。

2.4.4 洋麻纖維摩擦系數(shù)

采用摩擦系數(shù)測(cè)試儀對(duì)洋麻纖維的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，摩擦輥轉(zhuǎn)速采用30 r.p.m，選用500mg纖維夾。每種纖維測(cè)試20根，測(cè)試結(jié)果取平均值，測(cè)試樣品如圖1所示。

圖1 摩擦系數(shù)測(cè)試樣品

2.4.5 洋麻纖維表面微觀形貌

使用離子濺射儀對(duì)洋麻纖維進(jìn)行噴金制樣，然后使用掃描電子顯微鏡對(duì)洋麻纖維的表面形貌進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 堿處理對(duì)洋麻纖維直徑的影響

不同堿濃度處理后的洋麻長(zhǎng)纖維直徑測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 堿處理對(duì)洋麻纖維直徑的影響

由圖2可知，隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的直徑呈先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)堿濃度為1wt.%時(shí)，洋麻纖維的直徑最小，為67.73μm，比未處理的降低了17.11%。

經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃度的堿處理后，洋麻纖維表面的果膠、脂蠟質(zhì)被逐漸去除，所以纖維的直徑逐漸降低。但是當(dāng)堿處理濃度增加到一定的程度后，NaOH逐漸進(jìn)入洋麻纖維的內(nèi)部，和非結(jié)晶區(qū)的接觸增大，破壞了纖維素間的氫鍵，使洋麻纖維逐漸膨脹，纖維直徑也隨之又逐漸增加。

3.2 堿處理對(duì)洋麻纖維拉伸強(qiáng)度的影響

不同堿濃度處理后的洋麻纖維拉伸強(qiáng)度結(jié)果見圖3。

圖3 堿處理濃度對(duì)洋麻纖維拉伸強(qiáng)度的影響

由圖3可知，隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的拉伸強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)堿濃度為1wt.%時(shí)，洋麻纖維的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，為397.75MPa，比未處理的提高了11.87%。

經(jīng)1wt.%堿處理后，洋麻纖維的纖維素分子網(wǎng)絡(luò)之間的氫鍵遭到破壞，增加了無(wú)定形纖維素的含量，使天然的單斜晶系纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定性更高的纖維素。當(dāng)堿處理濃度超過(guò)2wt.%后，過(guò)多的堿會(huì)過(guò)度脫除果膠和木質(zhì)素等，而果膠等物質(zhì)起到了粘結(jié)纖維素的作用，果膠等物質(zhì)過(guò)度去除使纖維素間的抱合力減少，在拉伸過(guò)程中纖維素大分子鏈之間容易滑脫，造成洋麻纖維拉伸強(qiáng)度下降。

3.3 堿處理對(duì)洋麻纖維摩擦系數(shù)的影響

不同堿濃度處理后的洋麻纖維摩擦系數(shù)結(jié)果見圖4。

圖4 堿處理濃度對(duì)洋麻纖維摩擦系數(shù)的影響

由圖4可知，隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的摩擦系數(shù)不斷增加。當(dāng)堿處理濃度為3wt.%時(shí)，洋麻纖維的摩擦系數(shù)為0.1079。

堿處理可以溶去洋麻纖維表面的半纖維素和木質(zhì)素及其他雜質(zhì)，使纖維產(chǎn)生粗糙的表面形態(tài)，同時(shí)由于堿與羥基反應(yīng)，如公式（1）所示，破壞了部分纖維素分子鏈間的氫鍵，降低了纖維密度，纖維變得松散，這些都使得纖維的摩擦系數(shù)增大，從而提高了纖維的摩擦性能，能夠增大纖維與基體浸潤(rùn)的有效接觸面積，從而有利于增強(qiáng)界面的粘合，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[10]。

3.4 堿處理洋麻纖維紅外光譜分析

堿處理前后洋麻纖維的紅外光譜圖見圖5。

圖5 不同堿處理濃度下洋麻纖維的紅外光譜圖

從圖中可以看出，堿處理后，2935.65cm-1～2855.91cm-1附近的峰有所變化，這部分峰是纖維素中的甲基（—CH3）和亞甲基（—CH2）對(duì)稱與不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，未處理的峰較為平緩，處理后的峰較為明顯，其中1wt.%堿處理的最為明顯，這說(shuō)明堿處理后纖維素、半纖維素含量相對(duì)增加，反過(guò)來(lái)說(shuō)明纖維中的其他物質(zhì)如果膠、木質(zhì)素、蠟質(zhì)以及雜質(zhì)等有所減少；1729.88cm-1附近的峰有所變化，這部分峰是半纖維素中的C=O伸縮振動(dòng)，未處理的峰較為陡峭，處理后則消失，這說(shuō)明堿處理后半纖維素含量基本沒有，也就是說(shuō)堿處理可以較大程度地去除半纖維素；堿處理后，位于1237.94cm-1的峰有很大變化，這部分峰是木質(zhì)素中的C=O伸縮振動(dòng)，堿處理后峰幾乎消失，說(shuō)明堿處理能有效去除木質(zhì)素。綜上所述，洋麻纖維經(jīng)過(guò)堿處理后，半纖維素、木質(zhì)素、果膠等雜質(zhì)得到有效去除，纖維素比例增大，使纖維表面極性分量減少，纖維與樹脂的浸潤(rùn)性好，同時(shí)纖維柔軟度和彈性增加[11-14]。

3.5 堿處理對(duì)洋麻纖維表面微觀形貌的影響

不同堿處理濃度下的洋麻纖維的SEM圖片見圖6。

圖6 不同堿處理濃度處理洋麻纖維的SEM照片

從（a）中可以看出，未處理的洋麻纖維表面有較多的雜質(zhì)，洋麻纖維表面的果膠呈片狀分布，果膠量較多，各單纖維之間因?yàn)楣z成分較多結(jié)合得非常緊密，表面相對(duì)光滑；（b）是1wt.%堿處理后的洋麻纖維，可以看到纖維表面雜質(zhì)明顯減少，工藝?yán)w維中的單纖維分離劈裂，纖維表面出現(xiàn)明顯的溝槽，孔洞增加，纖維刻蝕較為明顯，纖維表面粗糙度增加，堿處理后洋麻纖維表面的果膠呈點(diǎn)狀分布，果膠量明顯減少，且隨著堿處理濃度的增加，以上現(xiàn)象越來(lái)越明顯，2wt.%、3wt.%堿處理濃度的洋麻纖維刻蝕非常顯著，如（c）和（d）所示。堿處理后由于果膠成分的減少使得各單纖維之間的結(jié)合已變得較為松散，從而使其易于和環(huán)氧樹脂之間產(chǎn)生機(jī)械鎖結(jié)。果膠和半纖維素的去除是使工藝?yán)w維分離和表面粗糙度增加的主要原因。工藝?yán)w維分離和纖維粗糙度增加使得纖維間接觸面積和滑動(dòng)阻力增大，纖維表面雜質(zhì)的去除使得纖維間抱合更加緊密，利于復(fù)合材料強(qiáng)度的提高[15]。

4 結(jié)論

（1）隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的直徑呈先降低后增加的趨勢(shì)，而拉伸強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)堿濃度為1wt.%時(shí)，直徑最小，為67.73μm，比未處理的降低了17.11%；拉伸強(qiáng)度最大，為397.75MPa，比未處理的提高了11.87%。

（2）隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的摩擦系數(shù)不斷增加。

（3）通過(guò)傅里葉紅外光譜和SEM可以看到，堿處理后，洋麻纖維表面的果膠、木質(zhì)素等非纖維素成分明顯減少，工藝?yán)w維中的單纖維分離劈裂，纖維表面出現(xiàn)明顯的溝槽，孔洞增加，纖維刻蝕較為明顯，纖維表面粗糙度增加。