不同表面處理對(duì)劍麻纖維/樹脂基復(fù)合材料性能影響

楊明 李建 葛曷一 殷嬌嬌

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 十堰,442002;2.濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南,250022)

劍麻纖維是從劍麻葉片中提取出來的維管束纖維,其主要特點(diǎn)是質(zhì)地堅(jiān)韌、耐低溫、耐摩擦、耐酸堿、耐海水腐蝕以及拉伸強(qiáng)度大等[1]。劍麻纖維的吸濕性比較大,其與樹脂基體的反應(yīng)就會(huì)降低,沒有經(jīng)過表面處理的纖維同樹脂基體之間的界面黏結(jié)不好,制備的復(fù)合材料力學(xué)性能會(huì)受到影響,進(jìn)而使劍麻/樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用有局限性[2]。

下面將劍麻纖維通過不同方式的表面處理后,與不飽和聚酯樹脂進(jìn)行模壓成型制備成劍麻/樹脂基片狀模塑料(SMC),重點(diǎn)研究纖維含量、纖維不同表面處理對(duì)SMC性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

劍麻，工業(yè)級(jí),廣西劍麻集團(tuán)公司;不飽和聚酯樹脂,氧化鎂,硬脂酸鋅,碳酸鈣，工業(yè)級(jí),山東日新復(fù)合材料有限公司;硅烷偶聯(lián)劑,KH-550和KH-570,工業(yè)級(jí),中國(guó)國(guó)藥集團(tuán);其他助劑及原料均采用市售化學(xué)純?cè)噭┗蚬I(yè)級(jí)產(chǎn)品。

傅里葉紅外光譜儀(FTIR),IRAFFINITY-1,日本SHIMADZU公司;掃描電子顯微鏡(SEM),JSM-6360LV,日本電子株式會(huì)社;萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī),CMT5000,深圳三思縱橫科技股份有限公司;熱失重分析儀,SDT Q600,美國(guó)TA公司。

1.2 劍麻纖維的表面處理

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaOH溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% 的KH-550，KH-570溶液。將劍麻纖維分別加入到NaOH溶液、KH-550溶液和KH-570溶液中充分浸泡,再用水洗凈,烘干干燥后,備用。

1.3 SMC復(fù)合材料制備

分別稱取一定量的不飽和聚酯樹脂、低收縮劑、氧化鎂、硬脂酸鋅、鈣粉、固化劑等混合均勻,將攪拌好的樹脂糊放進(jìn)抽真空機(jī)中抽真空。

將抽真空后的樹脂糊均勻涂覆在上下兩層聚氯乙烯(PVC)薄膜上,然后將劍麻纖維均勻鋪覆在涂好樹脂糊的PVC薄膜上。將上下兩層PVC薄膜相對(duì)疊放,劍麻纖維夾在中間,壓實(shí)。將壓實(shí)的預(yù)浸料放置30 ℃的烘箱中,增稠3～4 d。

增稠完成后,撕去預(yù)浸料上下兩層PVC薄膜并放入模具中,用液壓機(jī)對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行模壓成型。模具上下模溫度保持在140 ℃左右,模壓壓力為10～15 MPa,保壓時(shí)間為4 min,制成4 mm左右厚度的SMC復(fù)合板料。最后將壓制成型的SMC復(fù)合板料放在萬能制樣機(jī)上制作出各類試樣,待用。

1.4 性能測(cè)試

SEM觀察:將樣品在液氮下脆斷,二氯甲烷刻蝕斷面,干燥后鍍金觀察。

拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040—2008測(cè)試;彎曲強(qiáng)度按照GB/T 9341—2008測(cè)試;簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043—2008測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 劍麻纖維紅外光譜表征

圖1是不同表面處理后劍麻纖維的紅外光譜圖。

圖1 不同表面處理劍麻纖維的紅外光譜分析

由圖1可以看出,表面經(jīng)過處理和未經(jīng)處理的劍麻纖維有一些峰值并未發(fā)生變化，如出現(xiàn)在3 500～3 200 cm-1波段的吸收峰是羥基,該吸收峰是因?yàn)樵诶w維素分子中O—H鍵的伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生的;在2 900～2 700 cm-1波段中出現(xiàn)的吸收峰為—CH2,該峰值的出現(xiàn)與在纖維素、木質(zhì)素和半纖維素中的脂肪族成分有關(guān);在1 740 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰與纖維素纖維結(jié)構(gòu)吸水彎曲有關(guān),其歸因于纖維素成分中C=O鍵的彎曲振動(dòng);在1 250 cm-1處出現(xiàn)峰值與半纖維素成分中C—O鍵的伸縮振動(dòng)有關(guān)。

從圖1還可以看出,表面經(jīng)過處理和未經(jīng)處理的劍麻纖維也有一些峰值發(fā)生了變化,如經(jīng)過NaOH處理后的劍麻纖維在1 740 cm-1和1 250 cm-1處有波峰消失,說明NaOH處理去除了部分半纖維素和木質(zhì)素;用KH-550處理的纖維在1 560 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰 (—NH2),表明KH-550成功連接到劍麻纖維上;用KH-570處理的劍麻纖維在1 695 cm-1處也出現(xiàn)新的吸收峰 (C=C),表明KH-570成功地連接在劍麻纖維上。

2.2 劍麻纖維微觀形貌

圖2是不同表面處理后劍麻纖維的SEM照片。

圖2 不同表面處理劍麻纖維的SEM分析(×200)

從圖2可以看出,與圖2(a)未經(jīng)表面處理劍麻纖維相比,圖2(b)～(d)經(jīng)過表面處理的纖維表面都變得更加粗糙,但粗糙程度有所不同,其中圖2(b) NaOH處理的纖維最為粗糙。這是因?yàn)镹aOH處理去除了劍麻纖維表面的果膠、蠟狀物等雜質(zhì),處理后的纖維微觀形貌變得粗糙,而粗糙的纖維表面有助于其與不飽和聚酯樹脂基體之間的界面相黏結(jié)。

2.3 SMC復(fù)合材料力學(xué)性能

表1是SMC復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

表1 SMC復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

從表1可以看出,當(dāng)劍麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10.0%時(shí),SMC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),之后逐漸減弱。3種表面處理方式中,當(dāng)劍麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí),SMC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度都達(dá)到最佳值,硅烷偶聯(lián)劑KH-570處理的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度最高,為80.77 MPa,其與未經(jīng)處理復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相比提高了24.65%。

從表1還可以看出,SMC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度隨著劍麻纖維含量增加先增強(qiáng)后減弱,變化的趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度相同,同樣在劍麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為在10.0%時(shí)達(dá)到最高值。此外,經(jīng)KH-570處理后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度最佳,分別為113.02 MPa和49.68 kJ/m2,與未經(jīng)處理復(fù)合材料相比提高了約25.42%和33.26%。

綜上所述,不同表面處理的SMC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊性能都得到了提高,其中,經(jīng)偶聯(lián)劑KH-570處理的SMC復(fù)合材料力學(xué)性能最佳,KH-550處理的次之,NaOH處理的最低。

2.4 SMC復(fù)合材料斷面形貌

圖3是劍麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.0%時(shí)SMC復(fù)合材料斷面的微觀形貌。

圖3 SMC復(fù)合材料沖擊斷面的SEM分析

從圖3(a)可以看出,未經(jīng)處理的劍麻纖維和樹脂基體界面之間存在明顯的裂紋,導(dǎo)致其界面黏結(jié)性較差,當(dāng)復(fù)合材料受到外力沖擊時(shí),劍麻纖維容易從復(fù)合材料中脫離出來,其沖擊強(qiáng)度比較差;圖3(b)中,NaOH處理的劍麻纖維和樹脂基體界面之間裂紋變小,其界面黏結(jié)緊密一些;從圖3(c)和圖3(d)可以看出,經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后,劍麻纖維與樹脂基體之間的界面比NaOH處理界面黏合更加緊密。說明處理后的劍麻纖維和基體之間的界面黏合強(qiáng)度得到了改善,當(dāng)SMC復(fù)合材料受到外力沖擊時(shí),劍麻纖維不容易從復(fù)合材料中脫離,從而提高了復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

2.5 SMC復(fù)合材料熱失重分析

圖4為劍麻纖維和SMC復(fù)合材料熱失重分析。

圖4 劍麻纖維和SMC復(fù)合材料的熱失重分析

從圖4(a)可以看出,劍麻纖維熱降解的大致過程為:在最初階段,發(fā)生質(zhì)量損失主要是劍麻纖維本身存在的水分受熱散失,在超過250 ℃后,劍麻纖維迅速分解,溫度在350～360 ℃時(shí)劍麻纖維完全分解,這一階段主要是半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解。經(jīng)過NaOH處理的劍麻纖維熱穩(wěn)定性在一開始較高,是劍麻纖維表面的果膠和蠟狀物等有機(jī)雜質(zhì)被除去的緣故。

從圖4(b)可以看出,在0～250 ℃,與KH-550和KH-570處理的SMC復(fù)合材料相比,NaOH處理的復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性更低。KH-570處理后的SMC復(fù)合材料熱穩(wěn)定性最佳, KH-550處理的次之,NaOH處理的最差。

3 結(jié)論

a) 經(jīng)過表面處理后SMC復(fù)合材料力學(xué)性能得到增強(qiáng),在劍麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)達(dá)到最高值,其中KH-570處理的SMC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度分別提高了24.65%,25.42%,33.26%,增強(qiáng)效果最佳。

b) 經(jīng)過NaOH處理或偶聯(lián)劑處理的SMC復(fù)合材料中劍麻纖維與樹脂基體界面結(jié)合緊密,偶聯(lián)劑處理的界面黏結(jié)增強(qiáng)效果最佳。

c) KH-570處理后的SMC復(fù)合材料熱穩(wěn)定性最佳,偶聯(lián)劑KH-550處理的次之,NaOH處理的最差。