偶联剂处理对黄麻纤维结构及性能的影响

杨志胡 张镇杰

（1 广东省建筑材料研究院有限公司；2 北京理工大学珠海学院）

0 前言

麻类纤维主要由麻类植物中提取而得，自然界中的麻类植物分布比较广泛，主要集中在热带到亚热带地区，我国种植的麻类植物主要有剑麻、苎麻、亚麻、黄麻、大麻、红麻、罗布麻等。黄麻纤维是价格最低廉的纤维之一，主要由黄麻中提取得到，在我国种植面积广，产量大仅次于棉花，属于可再生资源。

黄麻纤维不仅价格低廉、来源广、具有易染色性、人体亲和舒适性佳、可降噪、缓冲强且密度低、对环境友好可进行生物降解等优异特性。它与其他麻类纤维一样，等同属于韧皮纤维素纤维，被称为“黄金纤维”[1]。韧皮纤维由于其存在手感粗硬、纤维刚性较强等特点，导致其可纺性差，目前使用最多的依然是一些粗加工产品，如麻袋麻绳、土布袋、工业纸浆[2]等。随着现代工业的发展，黄麻纤维不断被开发应用到家纺、服用、包装、工业用等领域[3]。其往往在加工利用时，与其他材料进行各种改性处理，能够制得不同功能的黄麻纤维[4]。经过改性的黄麻纤维也可以用来制备各种复合材料，可应用于各个高端技术领域[3]。

1 原材料与实验设计

1.1 原材料、仪器

原材料、仪器见表1、表2。

表1 实验原料

1.2 试验过程

1.2.1 样品制备过程

在室温下，用无水乙醇作溶剂配置系列浓度梯度为0%～4%、间隔为1%的硅烷偶联剂备用；黄麻纤维用10%氢氧化钠进行碱处理，每次添加2g。

实验分为两部分，第一部分，首先假设硅烷偶联剂浓度为2%，改变浸泡时间分别为1h、2.5h、4h，根据实验结果得出最佳浸泡时间；第二部分，根据所得出的最佳浸泡时间，改变硅烷偶联剂浓度，梯度为0%～4%。

浸泡过程中每隔10min 用玻璃棒进行搅拌，使得黄麻纤维呈分散状。待浸泡时间到后，将黄麻纤维捞出用蒸馏水洗涤至中性，然后用玻璃棒挤压后摊开分散放置于容器中，移入鼓风干燥箱干燥24h 备用。通过下列性能测试挑选出最优的偶联剂处理方案。

1.2.2 测试过程

⑴热重（TG）分析

测试方法：采用TGA-50 热失重分析仪，分别对改变硅烷偶联剂浸泡处理时间前后，以及改变硅烷偶联剂浓度浸泡处理前后的黄麻纤维进行热稳定性分析。

本次黄麻纤维的热重分析主要依据GB/T 31984-2015 以及TGA-50 热重分析操作流程进行检测，将热重分析仪TGA-50 设定气氛为氮气，进气速率为30mL/min，升温速率为10℃/min，选用坩埚材质为铝坩埚，升温范围为20～500℃。

⑵SEM 分析

挑选纤维表面较光滑、粗细程度均匀的试样表面喷金，用Hitachi S-530 型扫描电镜观察表形。因为本次实验产品为经过硅烷偶联剂处理前后的黄麻纤维是绝缘体，在电镜观察时表面会积累电荷，使得画面异常，所以要先在所裁样品的表面上镀金属膜，然后尽可能低频进行扫描观察[5]。

2 实验结果和讨论

2.1 浸泡时间对热失重的影响

实验结果如图1 所示。

图1 不同浸泡时间热重分析

从图1 中可知，用2%含量的硅烷偶联剂浸泡2.5h的黄麻纤维热失重最少，浸泡2.5h 的曲线比浸泡1h 的稳定，且效果优于浸泡1h 的；而且与浸泡4h 的相比，提高了耐热性能，同时可以节省时间成本，故硅烷偶联剂处理时间选用浸泡2.5h 作为碱处理后的黄麻最佳浸泡时间。

2.2 偶联剂浓度对热失重的影响

实验结果如图2 所示。

图2 不同偶联剂浓度热重分析

偶联剂恰当的用量对于处理纤维能够增加纤维与树脂的相容性，在力学性能和加工流动性都更加优异，改善复合材料的强度和流动性方面更显著。

根据图2 可以看出，经过偶联剂处理过的黄麻纤维和未处理过的黄麻纤维热降解行为相类似，由此都可以分为三个区间：初期、一次分解区、二次分解区。其三个区间大致都为初期30～230℃、分解区230～380℃、二次分解区380～500℃。

通过图2 的曲线对比可知，经过偶联剂处理过的黄麻纤维，其一次分解和二次分解的温度明显比未处理过的温度要高；另外通过曲线中的剩余量对比可得，掺量为1%～4%的硅烷偶联剂处理过的黄麻纤维，其热稳定性先上升，在2%掺量时达到最佳，随后开始下降，4%掺量时最差。

经过2%硅烷偶联剂处理的黄麻纤维，更能表现出它的作用以及经济效益，更为适合黄麻纤维的改性，用浓度为2%的硅烷偶联剂浸泡2.5h 处理是作为碱处理后的黄麻的最佳处理项，可以节省偶联剂用量的同时，也不会使氢氧化钠与偶联剂发生多余副反应。

2.3 SEM 微观形态分析

针对未经偶联剂处理的黄麻纤维以及用浓度为2%的硅烷偶联剂浸泡2.5h 处理过的黄麻纤维进行SEM 观察其微观形貌，结果如图3 所示。

图3 处理前后纤维SEM 扫描图

图3 中：①～③分别为未经偶联剂处理过的黄麻纤维1μm、2μm、10μm 的放大倍数SEM 图，由图可看出黄麻纤维表面呈凹凸不平状，且纤维内有较为明显的裂痕，部分基团聚集紧密；④～⑥分别为经偶联剂处理过的黄麻纤维1μm、2μm、10μm 的放大倍数SEM 图，由图可看出，经过处理偶联剂过的黄麻纤维结构松散，表面粗糙，纤维直径变粗，且有细粒附着物。

由图3①和图3④对比明显看到，未经偶联剂处理的黄麻纤维基团空隙较小，影响到了纤维力学性能的延伸；由图②和图⑤以及图③和图⑥对比分析得出，经偶联剂处理过的黄麻纤维基团间间隙明显变大，且呈蓬松状结构。

综上分析，经过偶联剂处理过的黄麻纤维基团间隙得到了明显扩大，蓬松的结构使纤维与聚合物树脂之间的接触面积扩大，基团在偶联剂的作用下使纤维表面的OH-减少，降低了纤维的极性，提高了其亲油性能，导致有效抓取基团的能力得到提升，从而提高了黄麻纤维与树脂的相容性[6]。

3 结论

通过设计不同的浸泡时间，以及不同的硅烷偶联剂的浓度，对黄麻纤维进行偶联剂处理，得出以下结论：

⑴通过SEM 微观形态分析，证明偶联剂处理有着明显的效果：经过硅烷偶联剂处理过的黄麻纤维内部结构不仅间隙得到明显增大，增强与其共混的聚合物树脂之间的接触面积，且使得纤维由亲水转为亲油性，从而提高其与聚合物树脂的相容性和共混效果。

⑵综合热重分析、SEM 微观形态分析等各项测试得出，选用2%的硅烷偶联剂浸泡黄麻纤维2.5h，是其偶联剂处理的最佳条件。