黄麻纤维增强树脂基复合材料的研究进展

2017-02-25张建伟

纺织科学与工程学报 2017年1期

关键词：黄麻偶联剂聚丙烯

赵帆,张建伟,张莹,沈悦

(1.陕西省纺织科学研究所，陕西西安 710038；2.山东诸城高级技工学校，山东诸城 262200)

黄麻纤维增强树脂基复合材料的研究进展

赵帆1,张建伟1,张莹1,沈悦2

(1.陕西省纺织科学研究所，陕西西安 710038；2.山东诸城高级技工学校，山东诸城 262200)

介绍了黄麻纤维的结构和性能，综述了黄麻纤维/树脂界面相容性、成型工艺等黄麻纤维增强树脂基复合材料研究的热点问题，对黄麻纤维复合材料的发展趋势进行了展望，以期为相关领域研究提供参考。

黄麻纤维树脂基复合材料界面相容性成型工艺

近年来，随着人们环境保护意识的增强，植物纤维因其可再生性和可降解性，在高新技术复合材料开发领域越来越多的受到关注。黄麻纤维具有质轻价廉、较高的比强度和初始模量等优点[1]，可以代替芳纶、玻璃纤维等合成纤维作复合材料增强体，具有广阔的应用前景，成为研究工作的热点。本文介绍了黄麻纤维的结构和性能，综述了黄麻纤维/树脂界面相容性、成型工艺等黄麻纤维增强树脂基复合材料研究的热点问题，对黄麻纤维复合材料的发展进行了展望，以期为相关领域研究人员提供参考。

1 黄麻纤维的结构和性能

1.1 结构

黄麻，椴树科，一年生草本植物，是亚热带、热带地区常见的经济作物，产量高，价格低廉。我国产量位居世界第三位[2]，广泛分布于长江流域和华南地区。黄麻纤维来源于韧皮组织，基本结构单元是原纤状长链纤维素，是一种典型的纤维素纤维[3]，其化学组成如表1。

黄麻纤维表面呈竹子节状或X型节状，细胞厚度整齐，没有天然卷曲，单根纤维长度非常短，约1.5-5mm[4]，参差不齐。黄麻纤维的结晶度介于苎麻和棕榈纤维之间[5]。

表1 黄麻纤维的化学成分

1.2 性能

黄麻纤维与其它几种可用于复合材料增强用纤维的力学性能对比如表2。

表2 黄麻纤维与常见的复合材料增强用纤维力学性能对比

由表2可以看出，黄麻纤维的拉伸强度和拉伸模量适中，断裂伸长率低，适用于制备增强材料。由于黄麻纤维的密度较小，比强度和比模量较高，与E-玻璃纤维相当。

罗琦[6]对黄麻纤维进行了热失重分析，表明黄麻纤维在200℃以下质量不发生明显下降，为热压成型工艺温度的选择提供了依据。进一步研究发现，黄麻纤维起始分解温度为332℃，热稳定性良好，优于苎麻和棕榈纤维。刘桂阳[7]从宏观上进行了黄麻纤维热稳定性试验，结果表明，黄麻纤维在185℃加热5分钟，强度无明显变化。

2 改进黄麻纤维/树脂基体界面相容性的方法

黄麻纤维是一种纤维素纤维，分子结构中含有大量的羟基官能团，分子链之间和分子链内部氢键作用强烈，表现出较强的极性和亲水性。如何提高亲水的极性黄麻纤维与疏水的非极性树脂基体界面之间的相容性成为首要解决的问题。目前，改进黄麻纤维/树脂基体界面相容性的方法主要有碱处理法、界面偶合法、基体改性法、复合处理法等。

2.1 碱处理法

碱处理法就是将黄麻纤维用NaOH浸泡，用水洗至中性，然后烘干。碱处理法一方面可以溶解黄麻纤维中部分果胶、木质素等低分子杂质，提高分子取向度，使纤维表面变得粗糙，增强纤维与树脂之间的机械锁结力；另一方面，碱处理可以使纤维内部原纤化，纤维的强度和模量显著提高，纤维与树脂基体的有效接触面积明显增加[8]。研究表明处理时间和碱液浓度是影响碱处理法效果的主要因素。

D.Ray等[9]研究了碱处理时间对黄麻纤维机械性能的影响。结果表明：将纤维在30℃、5%的NaOH溶液中处理4小时后强度和模量略有提高，处理8小时后，强度和模量分别提高45%和79%，纤维的线密度随着处理时间的增长不断减小。

杨亚洲[10]等研究了碱处理时间对热压工艺条件下黄麻纤维/酚醛树脂复合材料力学性能的影响。结果表明：纤维经浓度为20g/L的NaOH溶液处理2小时后，复合材料的拉伸强度和冲击强度提升最大，提升幅度分别为13.5%和25%。

刘晓烨[11]等以黄麻纤维/聚丙烯体系的界面剪切强度为考察对象，在室温条件下选用了浓度为0.5%、1%、2%、5%、10%的NaOH溶液对纤维处理1小时。结果表明：随着碱液浓度的增大，纤维与树脂的界面剪切强度先增大后减小，当浓度为2%时达到最大值。与未处理的纤维相比，界面剪切强度增大64%。

2.2 界面偶合法

界面偶合法是一种利用偶联剂与黄麻纤维形成共价键来改善纤维与基体间界面相容性的方法。纤维和偶联剂发生反应后，表面的羟基数量减少，纤维极性减弱，吸水率降低；另一方面，偶联剂处理使纤维和聚合物之间形成交联网络作用，降低了纤维自身的溶胀效应。处理黄麻纤维常用的是硅烷偶联剂。这类偶联剂在弱酸条件下可以水解生成硅烷醇，硅烷醇在加热条件下与黄麻纤维表面的羟基发生脱水反应，形成稳定的结构。偶联剂的用量是影响黄麻纤维表面改性效果的主要因素。

汤栋等[12]采用3% KH-560硅烷偶联剂在90℃条件下对黄麻纤维毡进行了表面处理，并制备了黄麻纤维毡/环氧树脂复合材料。结果表明：硅烷偶联剂处理后，复合材料的拉伸强度和弯曲强度提升明显，弯曲强度提升50%以上。通过对复合材料拉伸断口的扫描电镜照片观察发现，经过KH-560处理后，纤维表面出现了明显的横纹竖节，粗糙程度大大改善。

赵磊等[13]采用2% A-151硅烷偶联剂在80℃条件下对黄麻纤维毡进行了表面处理，并采用真空辅助树脂传递模塑法制备了黄麻纤维毡/乙烯基酯树脂复合材料。结果表明：由于A-151硅烷偶联剂破坏了黄麻纤维素分子链间的氢键作用，处理后纤维的拉伸强度和拉伸模量均有下降。由于A-151分子结构中还含有碳碳双键，提高了偶联剂与乙烯基酯树脂的反应活性，复合材料的力学性能显著提升。

2.3 基体改性法

基体改性法是通过对树脂基体进行修饰来提高黄麻纤维与树脂基体界面结合性能的一种方法。目前常用的改性方法是通过在基体大分子链上接枝共聚极性单体来改变树脂表面的极性。

丁立波[14]用马来酸酐接枝聚丙烯和聚丙烯均匀混合的方法来改性聚丙烯基体，制备了黄麻纤维增强聚丙烯复合材料。结果表明，改性后有效改善了聚丙烯基体与纤维间的界面相容性，用改性后的基体制备的复合材料冲击强度明显提高。黄麻纤维的添加比例不同，复合材料的冲击强度均提高10%以上。

田雅娟[15]等用熔融挤出的方法制备了乙烯基硅烷接枝聚丙烯，以此为基体与黄麻纤维制备了复合材料。红外光谱分析发现，乙烯基硅烷成功接枝到了聚丙烯分子链上。当黄麻纤维添加质量分数为30%时，与未改性的聚丙烯/黄麻纤维复合材料相比，拉伸强度和冲击强度分别增加了33.3%和43.8%。

2.4 复合处理法

复合处理法就是从2.1-2.3中选择两种方法进行处理，考虑到工艺复杂性和助剂配伍性等因素，目前，该种处理方法报道较少。

刘晓烨[16]等提出了利用NaOH溶液和马来酸酐接枝聚丙烯乳液进行黄麻纤维毡表面复合处理的工艺方法。结果表明：与只进行碱处理相比，经2%NaOH溶液处理，再经过1%马来酸酐接枝聚丙烯乳液处理后，材料的力学性能进一步提高。通过对材料断面的扫描电镜观察证实了纤维和基体间的结合更加牢固。

王国杰[17]等提出了利用NaOH溶液和偶联剂复合处理黄麻纤维的方法，制备了黄麻增强聚氨酯制品。结果表明：处理方式是影响复合材料力学性能的重要因素。微观观察发现，经过碱液与偶联剂复合处理的黄麻纤维与聚氨酯基体的浸润性优于单一处理方式。

3 成型工艺

3.1 模压成型工艺

模压成型是将树脂与增强体混合体系在模具内加热塑化、加压流动并充满膜腔成型复合材料的一种工艺。增强体的形态不同工艺有所不同。

杨菲[18]等以碱处理后的黄麻纤维作为增强相，用模压法制备了黄麻/豆腐渣/淀粉复合材料。结果表明：当豆腐渣/淀粉质量比为3:1，黄麻纤维质量分数为20%，热压强度为6MPa，热压温度为80℃，热压时间为2分钟时，复合材料的拉伸断裂强度最优。

曾竟成[19]等采用模压法制备了黄麻有捻纤维束、黄麻布增强环氧树脂复合材料，对比发现，黄麻有捻纤维复合材料单向性能优于黄麻布复合材料，与玻璃纤维布复合材料相当。

杜兆芳[20]等以黄麻纤维毡为增强相，用模压法制备了黄麻/聚丙烯复合板材，研究了热压温度、热压时间、热压压力等工艺参数对复合板材性能的影响。结果表明：黄麻、聚丙烯的混合比为70:30，热压强度为4MPa，热压温度为170℃，热压时间为4分钟时，板材的拉伸强力和弯曲强力最大。

3.2 注塑成型工艺

注塑成型又称注射模塑成型，是指在一定温度下，通过螺杆搅拌完全熔融的树脂材料，用高压射入模腔，经冷却固化后，得到成型品的方法，是一种注射兼模塑的成型方法。具有可以制造形状较为复杂的制品、易于实现自动化生产等优点。

龙洪生[21]等通过注塑工艺制备了长黄麻纤维增强高密度聚乙烯复合材料。结果表明：当黄麻纤维含量为45%，浸渍模具温度为210℃时，复合材料的拉伸强度和弯曲强度最优，比纯高密度聚乙烯分别提高了49.1%和137%。

张安定[22]等讨论了注塑成型黄麻纤维增强聚丙烯的制备方法和力学性能。结果表明：随纤维含量的增加，复合材料的弯曲强度和模量是递增的。当纤维含量超过10%时，试样拉伸强度变化不大。黄麻纤维长度对复合材料的机械性能影响显著。随着长度增加，复合材料的强度和模量是递增的，冲击强度和伸长率是递减的。

3.3 树脂传递模塑工艺

树脂传递模塑工艺是在一个密闭模腔内填充纤维增强材料，在一定压力下将树脂注入模腔，使其浸透增强体，固化成型。具有环保、制造尺寸精确、操作压力小、适用性广等优点，目前在成型工艺的选择上竞争力明显。真空辅助树脂传递法主要是依靠真空将树脂吸入模腔内，是一种改进了的树脂传递模塑工艺。赵磊以黄麻纤维针刺毡为增强体，乙烯基树脂为基体，采用真空辅助成型法制备了增强复合材料，研究了真空辅助成型工艺中树脂流动的理论模型及对树脂的要求。

4 展望

目前，对于黄麻纤维增强树脂基复合材料的研究主要集中在成型工艺、制备方法、界面改性等方面，这些研究对于制备高性能的黄麻纤维复合材料仍然具有重要意义，还需要进一步探索。例如，进一步优化制备工艺条件以满足工业化生产；开发基体改性试剂使复合材料增强增韧等。同时，还要关注黄麻纤维在复合材料领域替代合成纤维及全降解型黄麻纤维复合材料的研究，完全实现环境友好。

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