纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料研究進(jìn)展

李智鑫,張才前

(1.紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,浙江 紹興312000;2.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院,浙江 紹興312000)

聚丙烯簡稱PP,有較好的力學(xué)性能、阻燃性及尺寸穩(wěn)定性等,因此在汽車、機(jī)械等工業(yè)及日常生活中用途廣泛,是使用最廣泛的塑料之一,也常用來作基體材料。纖維是一類材料,是連續(xù)的長絲或離散的細(xì)長件,類似于線的長度,可以紡成細(xì)絲、繩索或細(xì)繩[1],可用作聚丙烯基體的增強(qiáng)體。由于部分纖維與聚丙烯的吸濕性差異明顯,因此二者之間存在界面相容性差的問題,需要對(duì)纖維表面進(jìn)行處理來增強(qiáng)黏合力,以此改善復(fù)合材料的性能。介紹了不同纖維增強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料,主要包括纖維素纖維、有機(jī)合成纖維及無機(jī)纖維。

1 纖維素纖維

1.1 麻纖維

1.1.1 黃麻纖維

在纖維素纖維中,黃麻似乎是最有用、廉價(jià)且易得的纖維。黃麻纖維含有82%～85%的全纖維素,其中58%～63%是α-纖維素。傳統(tǒng)的黃麻,一般用于制造粗麻布衣服、繩索、麻袋、地墊等。黃麻產(chǎn)量高,性能好并有生物降解性,因此是復(fù)合材料增強(qiáng)體的一個(gè)選擇。

RAH MAN M R等[2]將粗制的黃麻纖維進(jìn)行氧化,用尿素對(duì)制成的復(fù)合材料進(jìn)行后處理,將粗制黃麻與氧化后的黃麻進(jìn)行微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的對(duì)比,并使用了不同的纖維含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),氧化的黃麻纖維具有更好的機(jī)械性能,尿素后處理增加了纖維與基體之間的界面結(jié)合力,含量為30%的黃麻增強(qiáng)復(fù)合材料具有最佳的機(jī)械性能。

亞麻是最古老的作物之一。亞麻植物由帶有種子莢的根、莖和樹枝組成,僅植物的中心部分可用于生產(chǎn)纖維。亞麻是一種低密度可再生原料(約1.4～1.5 g/c m3)[3],有很高的比強(qiáng)度、模量,良好的耐磨性和阻燃性。使用亞麻纖維作為復(fù)合材料的缺點(diǎn)包括低熱穩(wěn)定性,高吸濕性和有限的纖維長度。

HU Q X等[3]為了降低亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的吸濕性并改善其機(jī)械性能,將亞麻經(jīng)過堿處理,分別以硅烷N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺(AAPTS)和三甲基十八烷基溴化銨(STAB)為表面活性劑對(duì)亞麻進(jìn)行改性,表征亞麻增強(qiáng)PP復(fù)合材料的界面黏合性、吸濕性和機(jī)械性能,試驗(yàn)證明,STAB改性的亞麻可以與聚丙烯產(chǎn)生更好的界面黏合性。

1.2 竹纖維

由于竹子生長速度快,僅需要幾個(gè)月的生長,因此是一種豐富的自然資源,常用于建造各種生活設(shè)施和工具。竹子中的纖維素纖維沿竹子的長度排列,在竹纖維的方向上具有最大的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剛度,竹子的高強(qiáng)度和韌性歸因于其纖維細(xì)胞壁中纖維素含量高,竹纖維被稱為“天然玻璃纖維”[4]。

SHA MRIA S L等[5]使用壓縮成型工藝制備竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料,并測試其機(jī)械性能和電阻率。最終結(jié)果顯示硬度為94 HS,結(jié)晶度為69%,當(dāng)頻率在1 KHz到1 000 KHz之間變化時(shí),復(fù)合材料的電阻率大約降低了90.38%,與純PP相比,該復(fù)合材料具有更高的沖擊強(qiáng)度和電阻率,因此是用于電氣絕緣的合適材料。

1.3 椰殼纖維

椰殼纖維是從椰子樹果實(shí)的殼中獲得的纖維,椰子樹在熱帶國家廣泛生長,傳統(tǒng)椰殼產(chǎn)品僅占椰殼總產(chǎn)量的一小部分。椰殼纖維通常用于制造各種地板裝飾材料、紗線、繩索、墊子、床墊、填縫船、土工紡織布、隔熱板等。椰殼具有良好的特性,高硬度、隔音、防蛀、無毒、不易燃、抗微生物和真菌降解,同時(shí)椰殼纖維還比其他纖維素纖維更耐濕,并耐高溫和鹽水[6]。

HAQUE M等[7]用苯重氮鹽對(duì)椰殼進(jìn)行化學(xué)處理,使用單臺(tái)擠出機(jī)和注塑機(jī)制備椰殼/聚丙烯復(fù)合材料。結(jié)果顯示:經(jīng)過化學(xué)處理的復(fù)合材料具有更好的機(jī)械性能,復(fù)合材料的機(jī)械性能隨纖維負(fù)載量的增加而增加。但是,與30%的纖維相比,纖維含量為35%的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度較低。因此纖維負(fù)載量為30%的椰殼纖維增強(qiáng)聚丙烯具有最佳的機(jī)械性能。

1.4 稻殼纖維

稻殼是一種可再生低成本植物殘?jiān)?稻殼由于其獨(dú)特的成分,通常用作燃料,可提供熱量和發(fā)電,小部分用于天然纖維復(fù)合材料。與木材復(fù)合材料相比,稻殼有耐候性、可用性、可生物降解性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),稻殼復(fù)合材料在鑲板框架和汽車零件的建筑物中的應(yīng)用越來越多[8]。

為了更好地籌集小型農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)資金，可以積極引導(dǎo)當(dāng)?shù)馗辉＾r(nóng)戶和企業(yè)進(jìn)行水利工程的投資，在工程投入使用后按照一定的比例對(duì)投資者進(jìn)行合理的利潤分配。水利設(shè)施的建設(shè)者、所有者以及受益者是一個(gè)密不可分的利益共同體，他們既是所有者又是勞動(dòng)者，通過資金和勞動(dòng)的貢獻(xiàn)量來確定分紅的比例。相關(guān)職能部門要制定嚴(yán)格的建設(shè)管理措施，明確各方的責(zé)任與義務(wù)，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章制度，積極指導(dǎo)經(jīng)營管理，做好監(jiān)督檢查工作，保證各項(xiàng)工作的順利開展。

KUMAR V等[9]把馬來酸酐聚丙烯用作相容劑,用不同的填料與稻殼增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比,如滑石粉、云母、Ca CO3、硅灰石和氧化鋯等,研究復(fù)合材料的硬度、沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能。結(jié)果表明,馬來酸酐聚丙烯可以提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,而滑石粉改性的復(fù)合材料比稻殼聚丙烯復(fù)合材料具有更好的屈服強(qiáng)度、楊氏模量和彈性模量。

1.5 菠蘿葉纖維

菠蘿纖維的主要化學(xué)成分是纖維素(70%～82%),木質(zhì)素(5%～12%)和灰分(1.1%)[10]。菠蘿葉纖維是菠蘿種植的廢品,價(jià)格相對(duì)便宜且可大量獲得,菠蘿葉纖維具有優(yōu)異的機(jī)械性能,這與其高纖維素含量有關(guān)。因此,無需任何額外的成本投入,就可以將菠蘿葉纖維用于工業(yè)用途,它有著聚合物增強(qiáng)復(fù)合材料的潛力。

ARIB R M N等[10]調(diào)查了菠蘿葉纖維/聚丙烯復(fù)合材料的拉伸和彎曲行為與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)使用菠蘿葉纖維作為聚丙烯基質(zhì)的增強(qiáng)劑,可以成功地開發(fā)出具有良好強(qiáng)度的復(fù)合材料。在一定范圍內(nèi),體積分?jǐn)?shù)增加,復(fù)合材料的彎曲模量及彎曲應(yīng)力也會(huì)增加。其中體積分?jǐn)?shù)為10.8%的拉伸模量和拉伸強(qiáng)度分別為687.02 MPa和37.28 MPa。彎曲模量在2.7%的體積分?jǐn)?shù)下具有較高的值。

2 有機(jī)合成纖維

2.1 碳纖維

碳纖維因其高比強(qiáng)度、比模量和熱物理性質(zhì)而成為最廣泛用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維之一,它還有出色的機(jī)械性能,包括高拉伸強(qiáng)度、高拉伸模量、出色的抗壓強(qiáng)度、低密度。使用碳纖維作為增強(qiáng)材料可獲得具有高強(qiáng)機(jī)械性能的輕質(zhì)材料。在未來,低成本的碳纖維可能會(huì)為許多技術(shù)提供巨大的應(yīng)用前景。

TIAN H F[11]制備碳纖維/聚丙烯復(fù)合材料的過程中加入馬來酸酐接枝聚丙烯,并詳細(xì)研究所得復(fù)合材料的機(jī)械性能和結(jié)晶行為。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的界面相容性很好,碳纖維均勻分散在PP基體中。CF對(duì)PP基體表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)作用,改善了PP材料的力學(xué)性能,當(dāng)CF質(zhì)量為20%時(shí),拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度提高了100%以上。

2.2 芳綸

芳綸是具有強(qiáng)度高、模量高、比重低、抗沖擊性高、耐熱性好,優(yōu)異的抗疲勞性和抗蠕變性,是防彈裝備的常用纖維。將芳綸溶液擠出成纖維形式時(shí),這種結(jié)構(gòu)的平行聚合物鏈與纖維軸平行的排列度極高,相鄰分子中氫和氧原子之間的弱氫鍵使它們在橫向上保持在一起。所得的長絲是高度各向異性的,在縱向上比在橫向上有更高的強(qiáng)度和模量。

N Nayak[12]將滌綸纖維織物環(huán)氧樹脂和芳綸纖維織物-聚丙烯(PP)復(fù)合層壓板受7.62 mm裝甲穿透彈丸撞擊的彈道性能進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)彈道極限隨復(fù)合層壓板的厚度線性變化。與同等厚度的芳綸-環(huán)氧復(fù)合材料相比,芳綸/PP復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的彈道極限,可得出結(jié)論:與熱固性樹脂相比,非極性熱塑性樹脂是防彈應(yīng)用的潛在基質(zhì)材料。

2.3 聚酯纖維

聚酯纖維又稱滌綸,是目前市場上產(chǎn)量最高的合成纖維,且產(chǎn)量增長迅速,主要作服用或裝飾織物,應(yīng)用在服裝、產(chǎn)業(yè)用紡織品、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。由于其具有高強(qiáng)度、良好耐磨性和保形性等優(yōu)點(diǎn),常用來作復(fù)合材料的增強(qiáng)體。

江興文[13]通過熔融共混法制備了聚酯纖維/聚丙烯復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過燒堿處理后,基體與增強(qiáng)體之間的作用力有明顯增加。隨著聚酯纖維含量的增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng),在10%～15%時(shí),力學(xué)性能最好;偶聯(lián)劑在15%以內(nèi)的情況下,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨偶聯(lián)劑的增加而提高,在10%的情況下達(dá)到最佳值。

3 無機(jī)纖維

3.1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)具有良好性能,包括優(yōu)異的絕緣性、耐熱性、耐腐蝕性以及耐化學(xué)性,并且玻璃纖維的成本很低,因此成為一種理想的金屬替代材料,在纖維增強(qiáng)塑料行業(yè)中廣泛使用,E玻璃和S玻璃是纖維增強(qiáng)塑料行業(yè)中常用的纖維類型。用玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料由于有高性價(jià)比而廣泛用于航空航天、電子信息、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

潘利明[14]等通過雙螺桿混煉工藝得到玻璃纖維/PP復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)加入25%玻璃纖維時(shí),材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度都有100%以上的提升。在復(fù)合材料中加入無機(jī)磷酸鋯載銀抗菌劑賦予材料抗菌性,最后證實(shí)是25%的玻璃纖維和1%的抗菌劑結(jié)合能得到性能最好的復(fù)合材料,包括抗菌防霉、耐老化性能和力學(xué)性能。

3.2 金屬纖維

金屬纖維是有別于傳統(tǒng)紡織纖維的一種材料,有著強(qiáng)導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性等優(yōu)良性能,因此有一定的產(chǎn)品優(yōu)勢,一般可作為導(dǎo)線、抗靜電材料、防輻射材料、電磁波屏蔽材料、濾網(wǎng)和其他特殊材料,也可作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料,應(yīng)用在汽車、工業(yè)制造、產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

在添加聚乙二醇(PEG)和聚丙烯接枝馬來酸酐(PP-g-MA)的情況下,NAEBE M等[15]將鋁顆粒(Al)添加到聚丙烯(PP)中生產(chǎn)復(fù)合材料,然后熔紡成單絲并測試?yán)煨阅堋⒅睆骄鶆蛐院托螒B(tài),從而發(fā)現(xiàn),PEG和PP-g-MA可以改善鋁顆粒在聚丙烯基體中的分散性,從而改善Al/PP復(fù)合纖維的均勻性和拉伸性能。兩者相比,PEG能更好地改善纖維拉伸強(qiáng)度。

3.3 陶瓷纖維

陶瓷纖維是一種多晶耐火材料,有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于化工、能源、航空航天等多種領(lǐng)域。陶瓷纖維由各種金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物及其混合物組成。陶瓷纖維可分為二大類:非氧化物陶瓷纖維和氧化物陶瓷纖維。其中氧化鋯、氧化鋅、氧化鋁、鈦酸鋇等是氧化物陶瓷纖維的代表。

翟倩[16]以硅烷處理后的氧化鋁為增強(qiáng)體,聚丙烯為基體,制備復(fù)合材料,著重研究其機(jī)械性能以及耐熱性能。發(fā)現(xiàn)處理后的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度略有下降,而沖擊強(qiáng)度、邵氏硬度以及拉伸模量都有提高,同時(shí)通過熱分析法表明,材料的耐熱性明顯提高。

3.4 玄武巖纖維

玄武巖纖維是在流動(dòng)的熔巖中發(fā)現(xiàn)的,是從玄武巖基熔融火成巖火山巖擠出后所得[17]。它在高溫下保持良好的強(qiáng)度和剛度,具有出色的穩(wěn)定性、良好的耐化學(xué)性,并且易于加工、無毒、天然、環(huán)保且便宜。近年來,玄武巖纖維作為增強(qiáng)體的應(yīng)用逐步增多,可用于石化、土木工程和運(yùn)輸行業(yè)。

TANG C H[18]比較了玄武巖纖維增強(qiáng)聚丙烯(BFRPP)復(fù)合材料和純聚丙烯(PP)的熱穩(wěn)定性和燃燒性能。結(jié)果表明,玄武巖纖維對(duì)提高PP的初始分解溫度沒有積極影響,但可以降低最大熱分解速率,提高最大熱分解速率的溫度。在PP中添加玄武巖纖維可能會(huì)稍微降低極限氧指數(shù),在相同的氧氣濃度下,BFRPP的燃燒明顯比PP慢得多。

4 界面相容性的研究

復(fù)合材料的強(qiáng)度和承載能力基本上取決于纖維和基體的機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)及其界面相容性,由于纖維與基體的化學(xué)成分不同,因此二者的界面相容性差是纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的一個(gè)主要存在問題,也是重點(diǎn)研究方向。一般可通過對(duì)纖維進(jìn)行改性或添加偶聯(lián)劑來改善復(fù)合材料的界面黏合力,改性方法包括堿處理、氧化、重氮化、乙?；推渌瘜W(xué)處理等[19]。YU T等[19]發(fā)現(xiàn)堿化處理對(duì)提高界面相容性至關(guān)重要,使用馬來酸酐聚丙烯共聚物和乙烯基三甲氧基硅烷處理可對(duì)界面相容性有進(jìn)一步的改善。CHEGDANI F等[20]發(fā)現(xiàn)碳納米管與石墨烯納米片相比,碳納米管和馬來酸聚丙烯的共同作用可達(dá)到復(fù)合材料最佳的界面相容效果。HIDAYAH N M S等[21]證明了通過將線性烷基鏈接枝到氧化石墨烯表面可使聚丙烯納米復(fù)合材料的界面相容性得到改善。

5 發(fā)展前景

隨著時(shí)代的進(jìn)步,傳統(tǒng)的纖維織物很難滿足現(xiàn)代生活的需求,因此要結(jié)合現(xiàn)代紡織技術(shù)生產(chǎn)出性能更好的纖維。復(fù)合材料能夠結(jié)合兩種甚至多種材料的優(yōu)點(diǎn),改善材料的綜合性能,因此擁有廣闊的發(fā)展前景。復(fù)合材料發(fā)展迅速,由單一功能向多功能發(fā)展,材料尺寸由微米級(jí)向納米化轉(zhuǎn)變(由納米微粒向納米纖維轉(zhuǎn)變),界面處理技術(shù)的提升促使越來越多的纖維可作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體,因此復(fù)合材料種類日益擴(kuò)大。相信隨著對(duì)聚丙烯復(fù)合材料研究的不斷深入,會(huì)賦予復(fù)合材料更多更優(yōu)異的性能,產(chǎn)品的附加值增大,聚丙烯復(fù)合材料將在汽車工業(yè)、醫(yī)藥器材、建筑行業(yè)以及生活生產(chǎn)發(fā)揮著更重要的作用,給社會(huì)帶來更多的效益。