苎麻、黄麻织物增强环氧树脂复合材料力学性能的研究

徐贵海，任子龙，贾瑞婷，王春红，曹文静，王 莹

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

苎麻、黄麻织物增强环氧树脂复合材料力学性能的研究

徐贵海，任子龙，贾瑞婷，王春红，曹文静，王 莹

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

采用碱+偶联剂复合处理对苎麻、黄麻织物进行表面改性，采用模压工艺制备了苎麻织物、黄麻织物增强环氧树脂复合材料，探究了树脂体积分数(体积含量)、碱和偶联剂处理以及不同纤维对复合材料力学性能的影响，并用 SEM 研究了纤维与环氧树脂之间界面结合状况。结果表明：树脂体积分数在60%以下时，随着树脂体积分数的增加，复合材料的力学性能呈上升趋势；碱和偶联剂处理的苎麻织物增强复合材料弯曲强度和弯曲模量值比未处理的分别提高了9.13%和31.6%；苎麻织物复合材料的弯曲强度和弯曲模量优于黄麻织物增强复合材料。SEM结果表明，经碱和偶联剂处理后，复合材料中纤维与树脂的界面结合得到改善。

苎麻织物；黄麻织物；天然纤维；环氧树脂；表面改性；力学性能

1 引 言

步入21世纪，环境问题、能源短缺问题的解决成为一切工作的重中之重，如何合理利用能源，解决能源短缺、建设友好型可持续发展社会已经成为当前我们必须面对与解决的问题。因此，开发可再生环保型材料已越来越受大家的关注。

天然纤维资源丰富，价格低廉，长径比大，比强度高，比表面积大，密度低，可再生，可以弥补塑料的一些缺点，也可替代木材[1]。麻纤维高强低伸的特点非常适合作复合材料的增强体。此外，我国麻纤维资源丰富，其中苎麻产量居世界第一位，亚麻产量居世界第二位，黄麻产量居第三位[2-8]，因此麻纤维在复合材料中的开发应用意义重大。但麻纤维增强复合材料的制备中还存在一些问题，麻纤维的主要成分为纤维素，分子链上含有亲水的羟基，与疏水性树脂的相容性较差，导致两者界面相容性较差，复合材料力学性能低。

本研究以苎麻、黄麻织物为增强体，以环氧树脂为基体，采用碱+偶联剂复合处理对织物表面进行了改性处理，探讨了树脂体积分数对复合材料力学性能的影响以及碱+偶联剂复合处理苎麻织物对复合材料的力学性能的影响，并对比了苎麻、黄麻织物增强复合材料的力学性能。

2 实 验

2.1 原材料

苎麻织物：经密240根/10 cm，纬密240根/10 cm，单位面积质量120 g/m2，湖南华升洞庭麻业有限公司；

黄麻织物：经密39根/10 cm，纬密38根/10 cm，单位面积质量240 g/m2，安吉县昆铜路西兴源麻织厂；

环氧树脂：YJ-80型，惠柏新材料科技(上海)有限公司；

丙酮：分析纯，天津市化学试剂一厂；

脱模剂：北京克拉斯化工技术有限公司；

硅烷偶联剂：KH550型，南京翔飞硅烷偶联剂合成厂；

NaOH颗粒：天津市风船化学科技有限公司。

2.2 实验设备及仪器

电热鼓风干燥箱：DHG-9070A型，上海一恒科学仪器有限公司；

Instron万能强力机：3369型，美国英斯特朗公司；

天平：JA3003型，上海恒平有限公司；

液压机：Y/TD71 -45A型，天津液压机厂；

扫描电镜：TM-1000型，日本日立集团。

2.3 试样制备

(1)苎麻、黄麻织物表面改性

碱处理：织物与碱液质量比1∶20，碱液浓度为1wt%，在100℃下处理40 min，每10 min搅拌一次，碱处理完毕后用温水将织物洗涤至中性，并在80℃烘箱中烘干待用。

偶联剂处理：织物与偶联剂溶液质量比1∶20，偶联剂浓度为3wt%，处理温度为常温，时间为2 h，处理后将织物取出并在80℃的烘箱中烘干待用。

(2)复合材料的制备

采用模压成型工艺在液压机上制备苎麻、黄麻织物/环氧树脂复合材料，苎麻织物与环氧树脂的体积比分别为70∶30、60∶40、50∶50和40∶60，将树脂溶于丙酮中，树脂与丙酮质量比为3∶7，然后将树脂胶液均匀涂在苎麻织物上，制备预浸料。待丙酮完全挥发后，预浸料裁剪、叠层。先将预浸料在10 MPa压强下室温压制10 min，使织物与树脂浸透均匀；随后将预浸料在3 MPa、130℃条件下压制3 min，卸压1 min，再在3 MPa，130℃下压制3 min，卸压，最后在15 MPa、130℃下压制2 h，冷却至室温后取出。

黄麻织物与环氧树脂的体积比为40∶60，模压工艺与上述苎麻增强复合材料的工艺相同。

2.4 复合材料性能测试

根据标准ASTM 790_03测试复合材料拉伸性能，样品尺寸：长×宽×厚为150 mm×20 mm×2 mm，隔距为80 mm，加载速度为2 mm/min。

根据标准 ASTM D3039/D3039M-00测试复合材料弯曲性能，试样尺寸为60 mm×12.5 mm×2 mm，跨距为32 mm，加载速度为2 mm/min。

用扫描电子显微镜观察复合材料中纤维与树脂的结合情况。

3 结果与讨论

3.1 树脂体积分数对苎麻织物/环氧树脂复合材料力学性能的影响

图1为不同树脂体积分数的苎麻织物/环氧树脂复合材料的力学性能，由图1中可以看出，随着环氧树脂体积分数的增加，复合材料的力学性能基本上呈逐渐上升趋势，当树脂体积分数为60%时，复合材料力学性能达到最大值。原因在于当复合材料体系中树脂体积分数较少时，织物与树脂之间的结合较差，当复合材料受到外力作用时，无法很好地利用树脂来传递载荷[9]，树脂起不到基体应有的作用，而随着树脂体积分数的增加，树脂与织物之间的浸润性越来越好，界面结合得到改善，通过树脂来传递载荷的能力越来越强，作为增强体的苎麻织物也能很好地起到增强作用，从而复合材料的力学性能得到提升。

3.2 改性处理对苎麻织物/环氧树脂复合材料弯曲性能的影响

图2为苎麻织物经过1%碱+3%偶联剂处理后，对苎麻织物/环氧树脂复合材料的弯曲性能的影响(苎麻织物与环氧树脂的体积比为40∶60)，由图2看出，经过碱+偶联剂复合处理的苎麻/环氧树脂复合材料的弯曲强度和弯曲模量值比未处理的分别提高了9.13%和31.6%，达到了152.00 MPa、9.87 GPa。

图1 树脂体积分数对苎麻织物/环氧树脂复合材料力学性能的影响

图2 1%碱+3%偶联剂处理苎麻织物对苎麻织物/环氧树脂复合材料弯曲性能的影响

碱处理后，纤维表面变得光洁，直径减小，长径比增加，纤维的取向度提高，从而提高纤维的强度[10]。碱处理时，纤维素表面的一些羟基会与碱溶液发生反应，使苎麻纤维表面的羟基数目有所减少，从而降低了苎麻纤维的表面极性，疏水性提高，减少了苎麻布与环氧树脂间的极性差异，增加了两相间的相容性和黏结强度。而硅烷偶联剂在水环境中水解成硅醇，促使环氧树脂表面硅醇和苎麻纤维表面的羟基之间会形成氢键，氢键之间在一定温度下会脱水发生醚化反应，使苎麻纤维表面羟基数量减少，纤维表面的极性降低，并与环氧树脂之间形成了共价键，这样苎麻纤维与环氧树脂的相容性提高了，外力作用时，环氧树脂承受的力能够转移到苎麻纤维上，从而提高了苎麻织物/环氧树脂复合材料的力学性能[11-13]。

3.3 苎麻、黄麻织物增强环氧树脂复合材料弯曲性能对比

图3为苎麻、黄麻织物增强环氧树脂复合材料

图3 苎麻、黄麻织物增强环氧树脂复合材料弯曲性能对比

弯曲性能的对比(苎麻、黄麻织物均经过1%碱+3%偶联剂复合处理，织物与环氧树脂的体积比均为40∶60)，由图3可以看出，苎麻织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能优于黄麻织物增强环氧树脂复合材料，弯曲强度和弯曲模量分别大185.3%和101.2%。原因在于黄麻纤维的抱合力比苎麻纤维的差很多，因此，黄麻纱线的纱支要小于苎麻纱线，这就造成了黄麻纤维与环氧树脂的浸润比苎麻的差，黄麻纤维与树脂的界面结合差。同时黄麻织物的经纬密小于苎麻织物，导致复合材料中存在大量的孔洞，当复合材料收到外力作用时，这些孔洞作为弱点影响材料的承力能力。而且苎麻纤维的纤维素含量大于黄麻纤维，所以苎麻纤维的力学性能优于黄麻纤维，因此，苎麻织物增强环氧树脂复合材料的力学性能远远优于黄麻织物增强复合材料。

3.4 苎麻、黄麻织物增强环氧树脂复合材料微观形貌

图3为苎麻、苎麻织物增强环氧树脂复合材料的弯曲断面SEM照片。从图3(a)可以看出，未处理的苎麻织物增强环氧树脂复合材料弯曲断口处纤维之间的结合较松散，纤维从树脂中被抽拔出的长度较长，可以明显看到苎麻纤维从树脂基体中抽拔出来的孔洞，且基体的连续性遭到破坏，分层现象严重，说明未经任何改性处理的苎麻纤维与树脂之间的黏结力较低，界面性能较差。而如图3(b)所示，1wt%碱-3wt%偶联剂处理苎麻织物/环氧树脂断口处纤维之间的结合较未处理的更为紧密，苎麻纤维与树脂的浸润性得到了改善，苎麻纤维周围环氧树脂包裹较均匀且光滑，材料有脆性断裂部分。纤维从树脂中被抽拔出的长度较短，纤维的断面平滑，基体的连续性较好，分层现象较不明显，说明1wt%碱-3wt%偶联剂处理后苎麻纤维与树脂之间的界面结合性能得以提高。从图3(c)中可以看出，黄麻织物出现了严重的分层，较粗的黄麻纱线导致树脂对纤维的浸润性差，导致黄麻纤维和树脂的结合性较差，力学性能低。

4 结 语

(1)随着环氧树脂体积分数的增加，复合材料的力学性能基本呈逐渐上升趋势，当树脂体积分数为60%时，复合材料力学性能达到最大值，拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别为110.24 MPa、8.52 GPa、139.27 MPa、7.50 GPa。

图4 苎麻、黄麻织物增强环氧树脂断裂界面SEM电镜图

(2)碱+偶联剂复合处理可以明显提高复合材料的力学性能，经过1%碱+3%偶联剂处理的苎麻织物增强环氧树脂(苎麻织物与环氧树脂的体积比为40∶60)的弯曲强度和弯曲模量值比未处理的分别提高了9.13%和31.6%。

(3)苎麻织物增强环氧树脂复合材料的弯曲性能优于黄麻织物增强环氧树脂复合材料，弯曲强度和弯曲模量分别大185.3%和101.2%。

(4)SEM结果表明：碱+偶联剂复合处理后，苎麻织物增强环氧树脂复合材料中纤维与树脂之间的界面结合得到改善。

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Research on Mechanical Propertiesof Ramie Fabrics and Jute Fabrics Reinforced Epoxy Resin

XU Guihai,REN Zilong,JIA Ruiting,WANG Chunhong,CAO Wenjing,WANG Ying

(School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin, China, 300387)

The surface of ramie fabrics and jute fabrics were modified by alkali-silane treatment. Then ramie fabrics and jute fabrics reinforced epoxy resin were prepared by means of compression molding technology. The effects of the resin content, alkali-coupling agent treatment and different fibers on the mechanical properties of composites were studied. SEM was used to describe the interface bonding condition between fibers and epoxy resin. The results reveal that when the resin content is lower than 60%, the mechanical properties of composites increased with increase of the resin content. Alkali- silane treatment improves the flexural strength and modulus by 9.13%、31.6%. The flexural strength and modulus of ramie fabrics composite material is better than jute fabrics reinforced composites. The results of SEM show that a better interface adhesion occurs between the fiber and epoxy resin after surface modification.

ramie fabric; jute fabric; natural fiber; epoxy resin; surface modification; mechanical properties

高双胜(1974-)，男，黑龙江人，博士，讲师。主要研究方向：材料无损检测与性能表征技术。 E-mail: gaoshsh@163.com.

天津市大学生创新创业训练计划项目(201410058081)，天津工业大学创新实验室大学生创新项目(20140108)

2014-12-24)