VARTM制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究*

李 伟，黄虹云，吴永庆

(湖南大学 材料科学与工程学院, 湖南 长沙 410082)

VARTM制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究*

李 伟†，黄虹云，吴永庆

(湖南大学 材料科学与工程学院, 湖南 长沙 410082)

通过对黄麻纤维热处理、碱处理、硅烷偶联剂处理和异氰酸酯处理进行表面改性，并对改性黄麻纤维布进行热压工艺处理，最后采用VARTM成型工艺制备黄麻纤维增强环氧树脂复合材料，并对其性能进行了系统研究.通过扫描电镜(SEM)分析表明，热处理和碱处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结未得到明显改善，而通过硅烷偶联剂和异氰酸酯处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的界面粘结性能得到了显著的提高.将硅烷偶联剂和异氰酸酯处理的黄麻纤维布通过热压处理不仅可以增加复合材料中黄麻纤维体积含量，而且可以提高复合材料的综合性能，复合材料力学性能研究表明，经硅烷偶联剂处理后的黄麻纤维增强复合材料拉伸强度、模量和弯曲强度分别提高了18.6%，71.4%和50.2%.经异氰酸酯处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度、模量和弯曲强度分别提高了16.3%，34.0%和50.3%.

黄麻纤维；复合材料；热压工艺；硅烷偶联剂；异氰酸酯

麻纤维是一种天然植物纤维，具有价格低廉、可生物降解、优良的力学性能等优点.相比于合成纤维，天然麻纤维具有更好的吸能效果，能制造出高性能的复合材料，可广泛地应用于汽车制造工业[1-2].

麻纤维种类较多，常见的麻纤维有苎麻[3]、黄麻、亚麻等.黄麻是最廉价的天然纤维之一，黄麻纤维纤维素质量分数约为57%～60%，单纤细度为15～18 μm，单纤长度为1.5～5 mm，因为单纤维短且长度参差不齐，故无法单纤维纺纱.黄麻纤维具有不规则的多边形混合截面，吸湿性和透湿性较苎麻要高2%～4.5%.其生物分解性好，初始弹性模量高，不起球，抗菌能力优异，生产成本低，因此具有很好的市场应用前景.

麻纤维由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和脂肪蜡质组成，不同麻纤维组成有差别.麻纤维的主要成分为纤维素，纤维素分子结构中含有大量的羟基，故麻纤维表面极性较大，表现出强的亲水性，容易从空气中吸收水份，导致麻纤维与基体材料的界面结合不佳.而且天然麻纤维的大分子结晶度和取向度高，纤维外表面粗硬、无卷曲且勾结强度低.所以将麻纤维作为树脂基复合材料的增强材料时，一般需要对麻纤维进行表面改性处理[1，3-5].

目前麻纤维的表面改性处理主要有热处理、碱液处理[6]、硅烷偶联剂处理[7]、异氰酸酯处理[8]、等离子体处理[9]等方式.通过表面改性可提高麻纤维的界面性能，改善纤维与基体树脂的润湿性，使复合材料力学性能显著提升[10].将改性麻纤维用于树脂基复合材料的增强材料时可以获得综合性能优良的树脂基复合材料[11].

环氧树脂是制造树脂基复合材料的一种常用的基体树脂，最常见的复合材料是玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(玻璃钢).虽然环氧树脂在树脂基复合材料中的使用成史已经比较悠久，但是对环氧树脂基复合材料的研究仍然是当今的热点[12].作为一种基体树脂，环氧树脂具有种类繁多、容易满足设计需求的优点，但也存在不导电、性脆等缺点，在制备环氧树脂基复合材料时，有时也需要对树脂进行改性，从而获得其优异的性能[13].

真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型工艺是先进复合材料制造技术的主要发展方向之一，现已广泛应用于船舰、航空、航天、汽车等领域.VARTM工艺是先将增强材料放置于模腔中，然后合模、抽真空排除模腔中的气体，再在一定的温度和压力下将液态树脂注入模腔内，使之与增强纤维充分润湿，在一定温度下固化、后固化，最后经脱模得到复合材料制品.

本文以环氧树脂为基体，可生物降解的黄麻纤维作为增强材料，通过改变传统的工艺路线，增加对黄麻纤维布进行热压工艺处理，该工艺不仅可以提高复合材料中麻纤维的体积分数，而且对改善复合材料的力学性能有明显的效果，采用VARTM工艺制备麻纤维增强环氧树脂复合材料并进行了系统研究.

1 实验过程

1.1 黄麻纤维表面处理

热处理是将黄麻纤维放入鼓风干燥箱中，分别在120 ℃,150 ℃和180 ℃下处理4 h，将麻纤维取出后置于真空密封条件下保存备用.碱处理是将黄麻纤维布浸入(质量分数)2%的NaOH溶液中，于60 ℃下处理4 h，再用去离子水洗涤至中性并在80 ℃干燥.硅烷偶联剂处理是将KH-550配制成(质量分数)3%的乙醇溶液，然后把黄麻纤维布浸入溶液中10 min，取出纤维布放置在空气中30 min，最后90 ℃烘干.异氰酸酯处理是将黄麻纤维布放入异氰酸酯的丙酮溶液中，以浓硫酸为催化剂，在55 ℃油浴加热反应5 h，取出用丙酮洗涤后80 ℃烘干.模具和复合材料样品见图1．

1.2 黄麻纤维布的热压工艺

为了提高复合材料中麻纤维的含量，将表面处理的黄麻纤维布裁成190 mm×140 mm的规格，整齐叠放在平板热压机模具中，在1 MPa和100 ℃条件下热压30 min.

图1 模具和复合材料样品

1.3 黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的制备

将黄麻纤维布剪裁成190 mm×140 mm的规格并精确称量其质量后整齐铺放在VARTM模腔中，合模；模具一端导管连接真空泵，一端连接注射系统，中间部分接入压力表用来测量模腔中的压力.通过抽真空排除模腔内的空气，然后将混合好的树脂注入模腔中；模腔注满后封住连接真空泵的一端，继续注射，使模腔内的压力达到1 MPa，然后封闭所有端口；将模具放入烘箱中60 ℃固化20 h，脱模取出板材；将复合材料板在80 ℃下固化5 h.

1.4 材料性能表征

采用FEI QUANTA 200 扫描电镜观察复合材料断裂面的形态.黄麻纤维增强环氧树脂复合材料按照GB/T 1447-2005和GB 1449-2005进行切割并铣到规定的形状和尺寸，所以样品在Instron3369万能试验机上进行拉伸测试和三点弯曲测试.

2 实验结果与讨论

2.1 不同表面处理对复合材料断面形貌的影响

从未表面处理黄麻纤维复合材料断面SEM图(图2)可见，断裂面麻纤维拔出长度较大，且纤维表面未粘有树脂，这充分说明黄麻纤维与基体树脂的界面结合非常差，将直接导致复合材料的力学性能较低，所以欲获得良好界面粘结强度的复合材料必须对黄麻纤维进行表面改性处理.

图2 未表面处理黄麻纤维复合材料断面SEM图

将黄麻纤维分别在120 ℃，150 ℃和180 ℃条件下热处理4 h，并将其与环氧树脂制成复合材料.图3为热处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图，从图3(a)(b)可见，120 ℃热处理黄麻纤维增强复合材料断面黄麻纤维拔出长度仍然较长，黄麻纤维表面光滑，基本未粘有树脂，这说明黄麻纤维与树脂界面结合仍然不佳.图3(c)(d)为150 ℃热处理黄麻纤维复合材料断裂面，可以看出黄麻纤维拔出长度明显短于120 ℃热处理的样品，同时黄麻纤维表面粘有少量树脂，这证明了黄麻纤维与树脂的界面结合得到了改善.图3(e)(f)为180 ℃热处理黄麻纤维增强复合材料，从图中能明显地看出黄麻纤维拔出的长度进一步缩短，但黄麻纤维表面粘附的树脂仍然不多.由此可见，通过热处理的黄麻纤维增强复合材料可有限地提高黄麻纤维与树脂的界面结合，但单纯通过对黄麻纤维热处理使复合材料力学性能提高的效果仍不太明显.

碱处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM如图4所示，可见断裂拔出的黄麻纤维表面粘有较多的树脂，说明黄麻纤维与树脂的界面结合得到了较大的改善，但纤维拔出的长度比较长.

硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强环氧树脂复合材料断面SEM如图5所示．从图5(a)(b)可见，与热处理和碱处理黄麻纤维相比较，硅烷处理的黄麻纤维制备的复合材料断裂后纤维拔出的长度更短.图5(c)(d)中拔出的黄麻纤维表面粘有较多的树脂，黄麻纤维的根部与树脂的缝隙也非常小，这充分说明了黄麻纤维与树脂界面结合良好，复合材料的力学性能得到了显著提高.

图3 热处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图

图4 碱处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图

用六亚甲基二异氰酸酯(HDI)处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM如图6所示，由图6(a)(b)可看出，黄麻纤维拔出长度较短，与硅烷处理后的情况基本一致，而由图6(c)(d)可清楚地看到黄麻纤维表面粘有大量的树脂，所以可以确定黄麻纤维和环氧树脂经过异氰酸酯处理后的界面结合良好.

图5 偶联剂处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图

图6 异氰酸酯处理黄麻纤维增强复合材料断面SEM图

综上所述，将黄麻纤维进行热处理和碱处理对复合材料的界面结合作用提升不大；而硅烷处理和异氰酸酯处理可以显著提高黄麻纤维与基体树脂的界面结合；为了进一步证明以上结果，将对复合材料的力学性能进行测试和分析.

2.2 复合材料力学性能分析

2.2.1 拉伸性能

影响树脂基复合材料性能的主要因素有增强材料、基体树脂以及基体与增强材料的界面粘接强度等.为了提高复合材料中黄麻纤维的体积分数，实验中将黄麻纤维布进行热压工艺处理，黄麻纤维未经热压制备的复合材料麻纤维体积分数为27.3%，经热压的样品黄麻纤维体积分数可提高到33.6%.纯环氧树脂、未热压黄麻纤维复合材料及热压黄麻纤维复合材料试样拉伸性能测试结果见表1，未热压麻纤维复合材料比纯环氧树脂试样的拉伸强度增加了25.3%、拉伸模量提高了52.9%；而黄麻纤维布经热压后制备的复合材料比纯环氧树脂试样拉伸强度则增加了51.2%、拉伸模量提高达111.4%.黄麻纤维热压工艺使复合材料中纤维含量提高了6.3%，当基体树脂的粘度足够低时，在满足树脂对增强材料的充分浸润前提下，制备出来的复合材料将具有更好的力学性能.可见黄麻纤维的热压工艺对提高黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸性能具有重要意义.

表1 不同处理条件下的黄麻纤维增强复合材料拉伸强度和模量

Tab.1 The tensile strength and modulus of jute fiber with different treatment reinforced composites

复合材料性能环氧树脂纤维未处理偶联剂处理纤维HDI处理纤维热压工艺拉伸强度39.559.763.963.2是/MPa39.549.559.057.6否拉伸模量2653.45609.27325.67796.7是/MPa2653.44057.27060.25435.8否

由表1可知，当黄麻纤维未经热压处理时，与未表面处理的黄麻纤维增强复合材料相比较，硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度提高了18.6%，异氰酸酯处理则提高了16.3%；硅烷偶联剂处理黄麻纤维增强复合材料的拉伸模量提高了71.4%，异氰酸酯处理只提高了34.0%.当黄麻纤维经热压工艺处理后，硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强复合材料的拉伸强度只提高了7.0%，异氰酸酯处理也只提高了5.8%；硅烷偶联剂处理麻纤维增强复合材料的拉伸模量增加了30.6%，异氰酸酯处理则增加达37.0%.由此可见，热压工艺、硅烷偶联剂和异氰酸酯处理黄麻纤维可明显提高复合材料的拉伸强度和拉伸模量，这主要是由于热压工艺提高了复合材料中纤维的体积分数，硅烷偶联剂和异氰酸酯处理黄麻纤维能有效地改善黄麻纤维和树脂基体的界面粘结强度，能有效地将外力在纤维和树脂之间进行传递，最终达到改善复合材料的拉伸性能的结果.

2.2.2 弯曲性能

黄麻纤维的热压工艺对复合材料弯曲强度的影响见表2，未热压的黄麻纤维增强复合材料的弯曲强度比纯树脂只提高了14.4%，但是热压处理后显著提高达到了91.9%.可见黄麻纤维热压处理对提高黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的弯曲强度具有重要影响.

表2 不同方法处理的黄麻纤维增强复合材料弯曲强度

Tab.2 The flexural strength of jute fiber with different treatment reinforced composites

复合材料性能纯环氧树脂纤维未处理偶联剂处理纤维HDI处理纤维热压工艺弯曲强度150.3287.8301.4291.2是/MPa150.3171.6257.8257.9否

在黄麻纤维未进行热压工艺处理时，与未表面处理的黄麻纤维增强复合材料比较发现，经硅烷偶联剂处理的黄麻纤维增强复合材料的弯曲强度提高了50.2%，经异氰酸酯处理也提高了50.3%.在黄麻纤维经热压处理时，经硅烷偶联剂处理黄麻纤维增强复合材料的弯曲强度提高了4.6%，经异氰酸酯处理黄麻纤维增强复合材料提高了1.2%.可见硅烷偶联剂和异氰酸酯处理都能使黄麻纤维增强复合材料的弯曲强度得到提升，但是经热压工艺处理后更有利于复合材料弯曲强度的提高，并且可以适当减小黄麻纤维的表面处理程度，降低对增强材料性能的破坏，这将更有利于制备高性能复合材料的要求.

3 结 论

采用硅烷偶联剂、异氰酸酯等对黄麻纤维表面处理和麻纤维热压工艺，通过VARTM成型工艺制备黄麻纤维增强环氧树脂复合材料，得出以下结论：

1)与热处理和碱处理相比，硅烷偶联剂和异氰酸酯对黄麻纤维表面处理可有效改善黄麻纤维与环氧树脂的界面结合，显著提高复合材料的力学性能.

2)黄麻纤维热压工艺处理可增加复合材料中黄麻纤维的体积含量,达到提高复合材料的力学性能的目的，未表面处理的黄麻纤维经热压工艺处理后制备的复合材料纤维含量提高了6.3%，拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度分别提高了20.6%，38.3%和67.7%.

3)硅烷偶联剂处理和异氰酸酯处理的黄麻纤维经热压处理制备的复合材料，其力学性能得到了显著提高，而黄麻纤维的热压工艺处理对黄麻纤维增强复合材料的性能提高具有重要的影响.

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Preparation of Jute Fibers Reinforced Epoxy Resin Composites by VART

LI Wei†，HUANG Hong-yun, WU Yong-qing

(College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China)

In this research, the jute fibers were first treated with heating, alkali, silane coupling agent and isocyanate respectively, then the jute fibers fabrics were treated with hot pressing process, and finally, the jute fiber reinforced epoxy resin composites were fabricated with VARTM molding process. Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis shows that the interface bonding of jute fibers treated with heating and alkali reinforced epoxy resin composites has not been improved, but the interface bonding of composites has been significantly improved with the jute fibers treated with silane coupling agent and isocyanate. The hot-pressing process can not only increase the jute fibers volume content in the composites but also improve the performance of composites by the jute fibers treated in advance with silane coupling agent and isocyanate. The mechanical properties of the composites show that tensile strength, modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the silane coupling agent reinforced composite increase by 18.6%, 71.4% and 50.2%, respectively, and the tensile strength, modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the isocyanate reinforced composite increase by 16.3%, 34.0% and 50.3%, respectively.

jute fiber；composites；hot pressing process；silane coupling agent；isocyanate

2015-01-07

湖南省科技计划资助项目(2013WK3018)

李 伟(1975-)，男，湖南望城人，湖南大学讲师，博士

†通讯联系人，E-mail:liwei5168@hnu.edu.cn

1674-2974(2015)12-0015-06

TQ327.8

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