基于數(shù)學(xué)模型的黃麻纖維材料化學(xué)改性試驗研究

曹鉆 胡艷

摘 要：天然纖維增強塑料的主要缺點是增強纖維和基體之間的兼容性差。有必要使纖維與基體形成牢固的附著，以獲得最佳性能。研究對黃麻纖維進行了化學(xué)處理，以改變纖維力學(xué)性能，建立數(shù)學(xué)模型提高纖維識別效率。分析了黃麻纖維的力學(xué)性能、表面形態(tài)和傅里葉變換紅外光譜，以了解化學(xué)改性對纖維的影響。結(jié)果表明：化學(xué)改性可以有效提高纖維力學(xué)性能，且所建立的模型可以提高纖維識別效率，經(jīng)過處理的纖維具有更好的界面附著力。黃麻纖維的化學(xué)處理對黃麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)有很大影響。

關(guān)鍵詞：黃麻纖維；數(shù)學(xué)模型；化學(xué)處理；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TQ327.9

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0081-04

Experimental study of chemical modification of jute fiber material based on mathematical models

CAO Zuan，HU Yan

（Xian Peihua University，Xian 710125，China

）

Abstract：The main disadvantage of natural fiber reinforced plastics is the poor compatibility between the reinforcing fiber and the matrix.Therefore，it is necessary to form a firm adhesion between the fiber and the matrix to obtain the best performance.In this paper，jute fiber was chemically treated to change its mechanical properties.At the same time，the mathematical model was established to further improve the fiber recognition efficiency.The mechanical properties，surface morphology and Fourier transform infrared spectrum of treated and untreated jute fiber were further analyzed to understand the effect of chemical modification on the fiber.The results showed that chemical modification effectively enhanced the mechanical properties of the fibers， and the established model improved fiber identification efficiency.The treated fiber had better interfacial adhesion.Therefore，the chemical treatment of jute fiber has a great impact on the mechanical properties and microstructure of jute fiber composites.

Key words：Jute fiber;mathematical model;chemical treatment;mechanical properties;microstructure

在過去的幾十年中，復(fù)合材料在材料科學(xué)和工程材料領(lǐng)域引起了研究人員的廣泛關(guān)注［1］。從廣義上講，復(fù)合材料根據(jù)使用的基體可分為3類：聚合物基復(fù)合材料，金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。其中，聚合物基復(fù)合材料與其他2種相比具有多種優(yōu)勢，包括較低的體積質(zhì)量比，較高的比強度質(zhì)量比［2-3］，能夠形成不同的形狀和尺寸，耐腐蝕性，以及簡單的制造工藝，可回收性和較低的成本。黃麻纖維增強聚合物復(fù)合材料已成為重要的研究領(lǐng)域。通常使用化學(xué)處理方法使纖維光滑，易于粘附，耐用且有彈性，并提高纖維強度和剛度。研究制備復(fù)合材料之前對纖維進行化學(xué)處理，并提出一種數(shù)學(xué)模型用于提高黃麻纖維識別效率，并將所制備的復(fù)合材料的拉伸性能與未處理的黃麻纖維復(fù)合材料的拉伸性能進行了比較。

1 試驗方法及材料

1.1 試驗材料及制備

自然生長的直長生黃麻纖維購自孟加拉國達卡。環(huán)氧樹脂（JC-02A）和相應(yīng)的固化劑（JC-02B）來自常熟佳發(fā)化工有限公司。所有用于黃麻化學(xué)處理的其他化學(xué)品都購自中國上海林峰化學(xué)試劑有限公司。

單向黃麻纖維復(fù)合材料通過手工鋪設(shè)技術(shù)制備。在環(huán)氧樹脂和固化劑比例為5∶4的情況下，制備了不同摻量纖維（8％、10％、12％）的復(fù)合材料試樣。纖維的相應(yīng)體積分數(shù)分別為7%、8.5%和10%。然后對試樣進行固化處理（90 ℃ 下2 h）。

1.2 化學(xué)處理

本文將纖維分3步處理。首先，在一個槽中用1%的H2SO4處理黃麻纖維樣品，然后在另一個槽中用H2O2、Na2SiO3和Na3PO4處理黃麻纖維。這2個步驟都需要在50 ℃下進行，然后在一個纖維與液體比例為1∶20的浴槽中進行30 min處理。堿性處理是負責破壞纖維素中的氫鍵，進一步增加纖維表面粗糙度，這有助于纖維和基質(zhì)的更有效的互鎖，從而增加了纖維表面可能的反應(yīng)點的數(shù)量［8-9］。最后在使用NaOH與Na2SiO3、Na2SO3、MgSO4在80 ℃下處理纖維90 min，液體比例與上一步中使用的相同，然后用蒸餾水洗3次。在復(fù)合材料制造之前，樣品在70 ℃的烘箱中干燥3 h。

1.3 試驗方法

使用Nicolet 6700光譜儀（Thermofisher，Waltham，MA，USA），通過衰減全反射傅里葉變換紅外（ATR-FTIR）光譜對未處理和處理過的織物進行了表征。同時使用所建立的數(shù)學(xué)模型對圖像進行處理，進一步提高纖維識別效率。并使用加速電壓為15～18 kV、工作距離為10 mm的掃描電子顯微鏡（SEM）TM 3000來觀察原始黃麻纖維、處理后的黃麻纖維的表面形態(tài)，以及黃麻纖維復(fù)合材料在拉伸實驗后的斷裂部分的截面。

采用XQ-1單纖維強度試驗機，在標準溫度和濕度下，以40 mm標距長度和5 mm/min十字頭速度，測試單纖維的拉伸強度。每組測試50個試樣，并根據(jù)數(shù)據(jù)計算平均纖維抗拉強度。在選擇樣本之前，將黃麻輕輕梳理以使其光滑以便分離。拉伸強度是指纖維能夠承受的最大拉伸載荷。

2 纖維識別檢測數(shù)學(xué)模型建立

對V分量執(zhí)行Canny邊緣檢測算法以查找纖維的邊緣。邊緣檢測算法包括5個步驟：平滑、梯度計算、非最大抑制、雙閾值和滯后邊緣跟蹤［10］。真實圖像中不可避免地存在噪聲，并且在邊緣檢測期間經(jīng)常導(dǎo)致假陽性結(jié)果［11］。在本研究中，使用高斯平滑濾波器來減少V分量上的潛在噪聲。采用標準差為1.4的高斯平滑濾波器進行計算，如式（1）所示：

K=1159

2 4 5 4 2

4 9 12 9 4

5 12 15 12 5

4 9 12 9 4

2 4 5 4 2

（1）

邊緣被定義為表示灰度中某種不連續(xù)的區(qū)域邊界。對于灰度圖像，梯度計算常用于邊緣檢測［12］，本研究采用一階導(dǎo)數(shù)算子進行梯度計算。在廣泛使用的一階導(dǎo)數(shù)算子中，如索貝爾、普雷威特和羅伯茨交叉算子，其中羅伯茨交叉方法在檢測目標植物的彎曲邊緣時顯示出最高的方向靈敏度［13］。因此，在使用高斯平滑濾波器后，每個像素的梯度由羅伯茨交叉卷積核計算：

KGX=1? 0

0 -1和0? 1-1 0 （2）

在卷積計算中，KGX和KGY分別表示水平和垂直導(dǎo)數(shù)濾波器的x方向和y 方向核。因此，每個像素的梯度大小可以通過曼哈頓距離測量來計算，以降低計算復(fù)雜性：

G=Gx+Gy（3）

式中：Gx和Gy是x-y平面中的漸變。邊緣通常由圖像的梯度大小標識。梯度的方向也是一個重要的量，可以計算為：

θ=arctanGxGx

（4）

此外，利用非最大抑制法來銳化圖像的模糊部分，以獲得更好的邊緣識別。只有梯度圖像中的局部極大值可以被標記為邊緣。為了識別圖像中的真實邊緣，使用了雙閾值方法。選擇高閾值和低閾值以保留值高于高閾值的強邊，并抑制值低于低閾值的弱邊［14］。此外，如果邊緣落在2個閾值之間，則保留弱邊。最后，在邊緣跟蹤中，強邊緣可以立即包含在最終的邊緣圖像中。包括弱邊，當且僅當它們連接到強邊時。為了準確找到真正的邊緣，在邊緣跟蹤中使用了二進制大型物體（BLOB）分析。在分析中，強邊像素的8連接相鄰像素將被視為強邊像素并保留，無論它們是否最初是由雙閾值確定的強像素。識別所有邊緣后，邊緣和H分量的疊加圖像可以評估前景和背景對象的分割性能。

采用種子區(qū)生長（SRG）的圖像分割方法來確定木質(zhì)素纖維基質(zhì)的面積。從S分量出發(fā)，木質(zhì)素纖維基質(zhì)的中心可以被具有最高飽和度值的像素所定位。飽和度值高的像素可以作為種子，分為n個集。種子集可以表示為An。SRG的每一步都將一個像素連接到An中的一個像素上。所有尚未分配的像素都可以看作是T，如下式所示：

T={X∪ni=1A1|X（X）∩∪ni=1Ai≠0}（5）

其中，N （x）是像素x的8個相鄰像素。如果x是集合T中的一個元素，而N （x）只連接Ai中的一個，那么索引i （x）∈{1、2、...，n}定義為：

N（x）∩Ai（x）≠0（6）

被定義為δ（x）與其相鄰區(qū)域的不同程度的度量，則δ（x）的定義可以表示為：

δ（x）=g（x）-meanyAi（x）［g（y）］（7）

其中，g （x）為x的H分量中的灰度強度值。如果N （x）滿足2個或2個以上的Ai，則取值i （x）為i的值，從而使N（x）滿足i （x）和δ（x）最小化。滿足如下要求：

δ（z）=minxT{δ（x）}（8）

并將z附加到Ai （z）中，可以完成SRG算法的一個步驟。重復(fù)這些過程，直到不斷增長的像素達到由Canny邊緣檢測算法定義的邊緣。本研究中使用的SRG的總體程序如圖1所示。使用連接到H分量的Canny邊緣檢測獲得的圖像如圖1（a）所示；使用S組分選擇種子和生長方向如圖1（b）所示；執(zhí)行幾次迭代后的生長過程如圖1（c）所示，圖1（d）顯示了使用SRG的輸出圖像。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 FTIR分析

通過上述所建立的數(shù)學(xué)模型，用于FTIP分析中。將模型用于FTIP識別纖維過程中，可以有效提高纖維的識別效率（如圖2所示），不僅可以降低纖維識別過程中的噪聲，增加FTIP曲線光滑度，還可以提高纖維識別率，深入研究化學(xué)處理對黃麻纖維的影響。

圖2中3 352 cm-1處的特征峰表示生黃麻纖維纖維素中存在O—H基團拉伸。3 339 cm-1處的典型峰值是指處理過的黃麻中氫鍵的O—H拉伸。FTIR分析表明，在表面改性過程中，該—OH峰變化不大。然而，在未處理的樣品中，另一個在1 731 cm-1的

CO拉伸的特征峰在處理后的纖維中消失。這個峰的消失表明黃麻纖維表面的蠟和其他雜質(zhì)被去除［15］。去除這一層后，基體和纖維之間有了更好的相互粘連。2 900 cm-1的特征峰是指原先和處理過的黃麻纖維的纖維素和半纖維素中的甲基和亞甲基的C—H拉伸。木質(zhì)素的甲基（—CH3）可能歸因于在1 456和1 510 cm-1觀察到的特征峰。此外，在1 042 cm-1的特征峰被分配到纖維素的糖苷連接中的

C—O拉伸。因此，樣品的化學(xué)成分顯示化學(xué)鍵沒有變化，表明經(jīng)過化學(xué)處理后，黃麻纖維的化學(xué)成分沒有變化。

3.2 黃麻纖維復(fù)合材料的斷裂表面

經(jīng)數(shù)學(xué)模型處理后的黃麻纖維圖像，可以極大提高圖像分辨率，且處理后的圖像，可以觀察到黃麻纖維復(fù)合材料中的細節(jié)，可以很好的用于分析材料斷裂表面。

黃麻纖維復(fù)合材料斷裂表面的SEM圖像提供了纖維-基體相互作用粘性改善的直接證明。如圖3（a）所示，盡管在界面區(qū)域引入了少量的環(huán)氧樹脂，但在纖維和基體之間沒有內(nèi)聚力。這種復(fù)合材料的失效機制是纖維-基體脫粘。這表明，黃麻纖維和環(huán)氧樹脂之間缺乏吸引力，證實了加強纖維/環(huán)氧樹脂界面的必要性。經(jīng)過處理后，黃麻纖維和環(huán)氧樹脂之間的粘附界面得到了改善。這可以從環(huán)氧樹脂和纖維表面之間的邊界縫隙的消失看出［16］，如圖3（b）中的箭頭所示。這種改善可以解釋為黃麻纖維處理后的強界面相互作用。

3.3 復(fù)合材料的拉伸性能

所有的黃麻纖維復(fù)合材料都表現(xiàn)出比純環(huán)氧樹脂復(fù)合材料更高的抗拉強度（>43 MPa）。原始黃麻復(fù)合材料和處理過的黃麻復(fù)合材料的抗拉強度都隨著纖維重量百分比的增加而增加。材料在失效前可承受的最大負荷被稱為物品的極限強度。由于復(fù)合材料含有單向纖維，拉伸強度的變化可能歸因于纖維雜亂的排列［17］。通常情況下，在纖維方向測試的單向復(fù)合材料的特性主要受纖維特性的影響。因此，我們在研究中測試了纖維方向的拉伸性能。然而，經(jīng)處理的黃麻纖維復(fù)合材料的抗拉強度被發(fā)現(xiàn)高于其相應(yīng)的原始黃麻纖維復(fù)合材料，如圖4所示。較低的孔隙率和較高的體積分數(shù)可能是造成經(jīng)處理的黃麻復(fù)合材料具有較高抗拉強度的原因［18-19］。此外，通過化學(xué)處理可能導(dǎo)致經(jīng)處理的黃麻纖維比原黃麻纖維有更多的表面積，因此為經(jīng)處理的纖維和環(huán)氧樹脂之間形成范德華力創(chuàng)造了更多接觸面積。經(jīng)處理的黃麻纖維復(fù)合材料在每個纖維質(zhì)量百分比下都顯示出比原纖維低的斷裂伸長率。這種現(xiàn)象表明，由于雜質(zhì)的存在，環(huán)氧樹脂與天然（未經(jīng)處理的）黃麻纖維的薄弱點的結(jié)合力很差［20］。

4 結(jié)語

研究了黃麻纖維的化學(xué)處理對黃麻纖維復(fù)合材料的微觀和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)用化學(xué)處理過的黃麻纖維制備的復(fù)合材料在拉伸強度和界面附著力方面都優(yōu)于原始黃麻復(fù)合材料。結(jié)果表明，黃麻纖維的化學(xué)處理可以使基體與纖維的粘附性更好，且能改善與聚合物基體的界面粘合，從而改善復(fù)合材料的拉伸性能。同時所建立的數(shù)學(xué)模型，可以很好的識別纖維，提高纖維識別效率。

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