碱处理对洋麻纤维结构与性能影响研究

2018-09-25王灵雪费建武任子龙

中国纤检 2018年9期

文/王灵雪费建武任子龙

1 引言

在众多麻纤维中，洋麻纤维以其优良的力学性能、较低的价格、巨大的生物产量（为树木的3～5倍）、极强的CO2吸收能力（为森林的4～5倍）以及种植土壤要求低等特点脱颖而出，被视为21世纪未来派优势作物[1,2]。洋麻纤维及其产品研究与开发对可持续发展具有重要意义。

洋麻纤维优良的力学性能使其在复合材料领域具有强大的潜力，然而，洋麻表面的木质素、纤维素、半纤维素等含有大量羟基，纤维素大分子链之间及其内部强烈的氢键作用，使洋麻纤维表现出较强的极性和亲水性，从而导致呈亲水性的洋麻纤维与疏水性树脂基体间的相容性较差。因此，在制备洋麻纤维增强树脂基复合材料前需要对纤维进行适当的处理，以改善两者界面间的粘结性，达到提升复合材料力学性能的目的[3,4]。

碱处理是纤维表面改性最有效的方法之一，国内外许多学者都研究了通过碱处理来提高天然纤维及其增强复合材料的机械性能[5]。Ming Cai et al[6]等人研究表明马尼拉麻经过5 wt.% NaOH处理2 h后，纤维的结晶度、拉伸强度和模量都有不同程度的提高，同时马尼拉麻增强环氧树脂复合材料的界面剪切强度也得到改善。Gomes et al[7]等人研究表明麻纤维经过10 wt.%的碱处理后，表面粗糙度和拉伸强度都有较明显的改善。Saha et al8]等人研究表明黄麻纤维经过0.5wt.%的碱处理后，拉伸强度提高了65%。王春红[9]等人研究发现经过1wt.%的碱处理后，竹原纤维的表面能降低了63.64%，竹原纤维与聚丙烯之间的粘附功提高了67.18%。

本研究旨在通过采用不同浓度的碱处理洋麻纤维，研究碱处理对洋麻纤维的直径、拉伸强度、表面摩擦、FTIR以及表面微观结构等性能的影响，为提高洋麻纤维增强复合材料的界面结合性能提供基础研究。

2 试验部分

2.1 试验材料

洋麻纤维：由马来西亚木材工业局（TIBM）提供，已经过初步的沤麻处理；氢氧化钠：天津市风船化学试剂科技有限公司。

2.2 试验设备

Instron万能强力机：3369型（美国英斯特朗公司）；扫描电子电镜（SEM）：TM-1000型（日本日立公司）；傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）：Nicolet5700型（美国热电公司）；纤维摩擦仪：Y151型（常州第二纺织机械厂）；生物图像电脑分析系统：WV-CP4601CH型（北京泰克仪器有限公司）；电热鼓风干燥箱：DHG-9070A型（上海一恒科学仪器有限公司）；水浴锅：HHZK8型（巩义市予华仪器有限责任公司）；电子天平：MS105DU型（北京中仪公司）。

2.3 洋麻纤维碱处理

洋麻纤维与氢氧化钠溶液的质量比为1:20，氢氧化钠液浓度分别为1wt.%、2 wt.%、3 wt.%。在100℃的水浴锅中煮40min，每隔10min搅拌一次。然后用温水洗涤至中性，最后在80℃的烘箱中烘干待用。

2.4 洋麻纤维性能测试

2.4.1 洋麻纤维直径

洋麻纤维直径测试参照标准SN/T 2672—2010《纺织原料细度试验方法（直径）显微镜投影仪法》，每种纤维测试30根，每根纤维测试5个点求得平均值。

2.4.2 洋麻纤维强度

洋麻纤维的拉伸强度参考标准ASTM D1294-05《1英寸（25.4毫米）规准长度羊毛纤维束的拉伸强度和断裂强度的标准试验方法》。测试样品数量为20个，拉伸隔距为25.4mm，控制在拉伸隔距内的纤维重量为15mg～25mg，拉伸速度250mm/min。

2.4.3 洋麻纤维傅里叶红外光谱扫描

采用傅里叶红外光谱分析仪对洋麻纤维表面的基团进行测试，测试用探测器为DLATG，Diamond ATR附件，波数范围选择为4000cm-1至400cm-1，单个光谱扫描次数128次。

2.4.4 洋麻纤维摩擦系数

采用摩擦系数测试仪对洋麻纤维的摩擦系数进行测试，摩擦辊转速采用30 r.p.m，选用500mg纤维夹。每种纤维测试20根，测试结果取平均值，测试样品如图1所示。

图1 摩擦系数测试样品

2.4.5 洋麻纤维表面微观形貌

使用离子溅射仪对洋麻纤维进行喷金制样，然后使用扫描电子显微镜对洋麻纤维的表面形貌进行观察。

3 结果与讨论

3.1 碱处理对洋麻纤维直径的影响

不同碱浓度处理后的洋麻长纤维直径测试结果见图2。

图2 碱处理对洋麻纤维直径的影响

由图2可知，随着碱处理浓度的增加，洋麻纤维的直径呈先降低后增加的趋势，当碱浓度为1wt.%时，洋麻纤维的直径最小，为67.73μm，比未处理的降低了17.11%。

经过适当浓度的碱处理后，洋麻纤维表面的果胶、脂蜡质被逐渐去除，所以纤维的直径逐渐降低。但是当碱处理浓度增加到一定的程度后，NaOH逐渐进入洋麻纤维的内部，和非结晶区的接触增大，破坏了纤维素间的氢键，使洋麻纤维逐渐膨胀，纤维直径也随之又逐渐增加。

3.2 碱处理对洋麻纤维拉伸强度的影响

不同碱浓度处理后的洋麻纤维拉伸强度结果见图3。

图3 碱处理浓度对洋麻纤维拉伸强度的影响

由图3可知，随着碱处理浓度的增加，洋麻纤维的拉伸强度呈先增加后降低的趋势。当碱浓度为1wt.%时，洋麻纤维的拉伸强度达到最大，为397.75MPa，比未处理的提高了11.87%。

经1wt.%碱处理后，洋麻纤维的纤维素分子网络之间的氢键遭到破坏，增加了无定形纤维素的含量，使天然的单斜晶系纤维素转变为热力学稳定性更高的纤维素。当碱处理浓度超过2wt.%后，过多的碱会过度脱除果胶和木质素等，而果胶等物质起到了粘结纤维素的作用，果胶等物质过度去除使纤维素间的抱合力减少，在拉伸过程中纤维素大分子链之间容易滑脱，造成洋麻纤维拉伸强度下降。

3.3 碱处理对洋麻纤维摩擦系数的影响

不同碱浓度处理后的洋麻纤维摩擦系数结果见图4。

图4 碱处理浓度对洋麻纤维摩擦系数的影响

由图4可知，随着碱处理浓度的增加，洋麻纤维的摩擦系数不断增加。当碱处理浓度为3wt.%时，洋麻纤维的摩擦系数为0.1079。

碱处理可以溶去洋麻纤维表面的半纤维素和木质素及其他杂质，使纤维产生粗糙的表面形态，同时由于碱与羟基反应，如公式（1）所示，破坏了部分纤维素分子链间的氢键，降低了纤维密度，纤维变得松散，这些都使得纤维的摩擦系数增大，从而提高了纤维的摩擦性能，能够增大纤维与基体浸润的有效接触面积，从而有利于增强界面的粘合，提高复合材料的力学性能[10]。

3.4 碱处理洋麻纤维红外光谱分析

碱处理前后洋麻纤维的红外光谱图见图5。

图5 不同碱处理浓度下洋麻纤维的红外光谱图

从图中可以看出，碱处理后，2935.65cm-1～2855.91cm-1附近的峰有所变化，这部分峰是纤维素中的甲基（—CH3）和亚甲基（—CH2）对称与不对称伸缩振动，未处理的峰较为平缓，处理后的峰较为明显，其中1wt.%碱处理的最为明显，这说明碱处理后纤维素、半纤维素含量相对增加，反过来说明纤维中的其他物质如果胶、木质素、蜡质以及杂质等有所减少；1729.88cm-1附近的峰有所变化，这部分峰是半纤维素中的C=O伸缩振动，未处理的峰较为陡峭，处理后则消失，这说明碱处理后半纤维素含量基本没有，也就是说碱处理可以较大程度地去除半纤维素；碱处理后，位于1237.94cm-1的峰有很大变化，这部分峰是木质素中的C=O伸缩振动，碱处理后峰几乎消失，说明碱处理能有效去除木质素。综上所述，洋麻纤维经过碱处理后，半纤维素、木质素、果胶等杂质得到有效去除，纤维素比例增大，使纤维表面极性分量减少，纤维与树脂的浸润性好，同时纤维柔软度和弹性增加[11-14]。

3.5 碱处理对洋麻纤维表面微观形貌的影响

不同碱处理浓度下的洋麻纤维的SEM图片见图6。

图6 不同碱处理浓度处理洋麻纤维的SEM照片

从（a）中可以看出，未处理的洋麻纤维表面有较多的杂质，洋麻纤维表面的果胶呈片状分布，果胶量较多，各单纤维之间因为果胶成分较多结合得非常紧密，表面相对光滑；（b）是1wt.%碱处理后的洋麻纤维，可以看到纤维表面杂质明显减少，工艺纤维中的单纤维分离劈裂，纤维表面出现明显的沟槽，孔洞增加，纤维刻蚀较为明显，纤维表面粗糙度增加，碱处理后洋麻纤维表面的果胶呈点状分布，果胶量明显减少，且随着碱处理浓度的增加，以上现象越来越明显，2wt.%、3wt.%碱处理浓度的洋麻纤维刻蚀非常显著，如（c）和（d）所示。碱处理后由于果胶成分的减少使得各单纤维之间的结合已变得较为松散，从而使其易于和环氧树脂之间产生机械锁结。果胶和半纤维素的去除是使工艺纤维分离和表面粗糙度增加的主要原因。工艺纤维分离和纤维粗糙度增加使得纤维间接触面积和滑动阻力增大，纤维表面杂质的去除使得纤维间抱合更加紧密，利于复合材料强度的提高[15]。