堿處理對劍麻連續長纖增強聚丙烯復合材料力學性能的影響

湯　芬，甘厚磊，鄒漢濤，王羅新，易長海

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堿處理對劍麻連續長纖增強聚丙烯復合材料力學性能的影響

湯芬，甘厚磊，鄒漢濤，王羅新，易長海*

（武漢紡織大學 紡織與材料學院，湖北 武漢 430073）

以丙綸長纖為經紗，劍麻連續長纖為緯紗，織成劍麻/PP平紋機織物。采用不同濃度的氫氧化鈉對織物進行堿處理，將處理后的織物與聚丙烯薄板模壓成型，制備出劍麻連續長纖增強聚丙烯復合材料。采用SEM對堿處理前后的劍麻纖維形貌進行分析，討論不同堿處理濃度對復合材料力學性能的影響。結果表明：堿處理對劍麻連續長纖的表面具有刻蝕作用，以及對劍麻連續長纖增強聚丙烯復合材料的動態熱機械性能、拉伸性能、彎曲性能均有一定的影響。

劍麻連續長纖；聚丙烯；機織物；復合材料；力學性能

1　前言

近年來，劍麻作為一種可生物降解、循環利用的天然纖維廣泛地應用于復合材料的增強材料[1-4]。而劍麻纖維增強聚丙烯復合材料由于具有密度小、耐熱、耐化學腐蝕、低成本和可循環等優點，比其它劍麻纖維增強熱固性材料得到了更多的關注，許多學者發表了劍麻纖維增強聚丙烯復合材料的研究論文[5-11]。例如，Arzondo等[6]研究了一種低成本、低纖維斷裂制備劍麻纖維增強聚丙烯的工藝方法，研究表明MA-g-PP的酸酐基和劍麻纖維的羥基發生酯化反應，有效地提高了纖維-樹脂的界面性能，使復合材料的力學性能得到了提高。Joseph等[7]通過用熔融混合和溶液混合的方法制備了短劍麻纖維增強聚丙烯復合材料，作者通過在混合熔體建立纖維長度分散模型，使復合材料的實驗拉伸性能與理論上的拉伸性能做對比，建立了纖維取向的模型。Xie等[8]把聚甲基丙烯酸甲酯接枝到劍麻表面上，通過注射成型制備了SF/PP復合材料，結果表明它可以提高劍麻纖維和聚丙烯基體分子間的作用力，改善劍麻纖維在聚丙烯基體中的分散性。

目前大量的文獻都是針對短劍麻纖維增強樹脂基的研究，討論了表面處理對劍麻纖維增強樹脂基復合材料的影響[12-14]。甚少有學者研究劍麻長纖維增強樹脂基復合材料或者是劍麻織物增強樹脂基復合材料，這是因為由于劍麻長纖維粗硬，在制備復合材料工程中不易于加工。而且，由于劍麻纖維與樹脂基體的浸潤性差等問題，在短劍麻纖維制備復合材料過程中，短劍麻纖維容易聚集成團，難以分散均勻，不利于制備高強度的復合材料。本文通過把劍麻工藝纖維連續起來，得到了用劍麻連續長纖維（LSP）與PP混紡織成的織物，通過模壓工藝制備了劍麻連續長纖增強聚丙烯復合材料。另外，本實驗通過用不同的堿濃度對劍麻連續長纖（LSF）/PP織物進行處理，討論了未處理和處理后的織物對劍麻連續長纖維增強聚丙烯復合材料的拉伸性能和彎曲性能的影響。

2　實驗部分

2.1實驗原材料及規格

劍麻纖維（LSF）：廣西劍麻集團；丙綸紗線：300D，射陽縣絲絲緣化纖有限公司；氫氧化鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水：自制。

2.2實驗試樣制備

劍麻連續長纖/丙綸機織物的織造：以丙綸為經紗，劍麻連續長纖為緯紗，采用機織物小樣機制備劍麻連續長纖/丙綸機織物。其織物組織上機圖如圖1所示。

圖1　織物組織上機圖

劍麻/丙綸織物的堿處理：分別用了不同的堿濃度對織物進行表面處理，水洗至洗液pH為7左右，放入到60℃烘箱中烘干，待用。

復合材料的制備：將堿處理后的織物裁成尺寸為15cm×15cm的樣片，鋪層數為2層，鋪層時經緯方向呈90°，然后與PP薄板放入XLB-D350X350型平板硫化機上模壓成型。PP薄板的力學性能由表1可見。其工藝條件為模壓溫度180℃，壓力10MPa，時間10min，然后自然冷卻至室溫，制得復合材料。在復合材料的制備過程當中，PP在高溫下熔解并與基體相溶，而劍麻長纖在復合材料板中可獲得了排列均勻的效果。其復合材料的結構如圖2所示。

表1　PP的力學性能

圖2復合材料的結構圖

2.3性能測試與表征

SEM分析：采用荷蘭FEI公司的Sirion 200型掃描電子顯微鏡表征劍麻纖維堿處理前后的形貌。濺射儀噴金處理，加速電壓20kV。

動態熱機械性能測試：采用德國耐馳公司的DMA242C型動態熱機械分析儀對復合材料的熱機械性能進行測試。測試條件為：升溫速度5℃/ min，單頻f =1Hz ，額外附加力5.000 N，振幅30μm。

拉伸性能測試：參照國標GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》。采用濟南聯工測試技術有限公司WDW-20E型萬能試驗機測試復合板材的拉伸性能。拉伸速度為50mm/min，試樣夾持距離為50 mm。試樣規格為115mm×10mm，厚度為2 mm。

彎曲性能測試：采用濟南聯工測試技術有限公司WDW-20E型萬能試驗機測試復合板材的彎曲性能，按GB/T9341-2000測試，加載速度為1 mm /min。試樣規格為80 mm×15 mm。

3　結果與討論

3.1堿處理對劍麻纖維表面形貌的影響

圖3為堿處理前后劍麻纖維表面形貌圖。由圖3可知，未處理的劍麻纖維有比較明顯的橫節豎紋，纖維表面有較多雜質，堿處理后的劍麻纖維表面變得粗糙，出現了明顯的溝壑，纖維表面粘附了部分膠質，這是由于堿處理使劍麻纖維表面的雜質（如果膠等）脫落所致。該結構在制備復合材料過程中有利于改善纖維-樹脂之間的界面[12]。

（a）未處理的劍麻纖維（b）堿處理后的劍麻纖維

3.2復合材料的動態熱機械性能的分析

（a）儲能模量（b）阻尼因子

儲能模量反映的是材料形變過程中由于彈性形變而儲存的能量，是材料粘彈性中的彈性成分，表征材料的剛度[15]。圖4為不同濃度的氫氧化鈉處理對復合材料動態熱機械性能的影響。由圖4 (a)可知，儲能模量(E’)的關系為：堿處理的LSF/PP＞未處理的LSF/PP＞PP，由此可說明劍麻連續長纖的加入對PP有很好的增強效果，提高了材料的剛性。堿處理濃度對復合材料的儲能模量有一定的影響，在6%的堿處理濃度下，LSF/PP的儲能模量最大，材料的剛度最大，這是由于堿濃度太低，纖維表面的結構變化不明顯，半纖維素、果膠、木質素的含量也變化不大，纖維與基體浸潤的有效接觸面積并沒有增大；而堿濃度過高，NaOH的強氧化性使劍麻纖維結構遭到破壞，使纖維收到損傷，所以不利于LSF/PP復合材料力學性能的提高。

由圖4(b)可知，純PP的玻璃化溫度(Tg)比LSF/PP復合材料中PP相的高，這可能是LSF在復合材料中起到了成核劑的作用，加快了PP相的結晶速率，有利于無定形區PP鏈段的運動，因而表現出更低的Tg值[16]。另外，由圖４可知PP的tanδ最大，未處理的LSF/PP其次，堿處理后的LSF/PP的阻尼因子最小，說明劍麻連續長纖的加入，有利于PP基體應力的吸收與傳遞，堿處理改善了復合材料中LSF與PP基體之間的界面，有利于應力的傳遞。另外，與未經表面處理的復合材料相比，經堿處理和硅烷處理后的復合材料的Tg均移向高溫，tanδ峰值降低。表明經表面處理后的復合材料的內耗更小，在交變應力作用下，處理后的復合材料比未處理的材料的應變更跟得上應力的變化，高分子鏈段運動受到的內摩擦力更小，說明纖維與基體之間的應力傳遞更好，表明表面處理提高了纖維-基體的界面黏結性。

為了對比劍麻連續長纖/PP復合材料和純PP的松弛過程，本文研究了不同溫度下堿處理濃度為6%時復合材料的儲能模量與純PP儲能模量的差量的變化，如圖5所示。從圖5可以看出，對比粘彈態區的△E，玻璃化溫度以下的玻璃態區的△E明顯要大很多，由于儲能模量曲線下降的幅度決定了松弛過程中的強度（綜合模量）[17]，表明LSF/PP復合材料比純PP更容易松弛。這是因為加入了劍麻纖維降低了聚丙烯的玻璃化溫度，使分子間的相互影響變小，高分子鏈段運動的活動性加強，分子鏈更容易發生滑移，內應力消除得更快，松弛過程中的強度升高。

圖5　不同溫度下LSF/PP復合材料的儲能模量與PP的儲能模量的差值的變化

圖6　堿處理濃度對LSF/PP復合材料拉伸性能的影響

3.3堿處理濃度對復合材料的拉伸性能的影響

圖6為堿處理濃度對LSF/PP復合材料拉伸性能的影響。由圖6可知，LSF/PP復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率均隨著堿濃度的增加而增加，在NaOH濃度為2%時達到最大，之后隨著NaOH濃度的增加成下降趨勢。這是由于LSF經堿處理后，LSF表面的雜質被除去，減少了木質素和果膠的含量，使劍麻纖維微旋轉角減小，分子取向提高，纖維表面變得粗糙，纖維的密度降低，纖維變得松散，增加了纖維與基體浸潤的有效接觸面積，纖維與基體樹脂界面之間粘合能力增強，從而改善了劍麻長纖與基體之間的相容性，使劍麻長纖增強聚丙烯復合材料的拉伸強度增大。隨著堿處理濃度的增大，NaOH的強氧化性使得劍麻纖維的結構受到破壞，因而使劍麻長纖增強聚丙烯復合材料的拉伸強度和伸長率有所降低。

3.4堿處理濃度對復合材料的彎曲性能的影響

圖7為氫氧化鈉濃度對LSF/PP復合材料彎曲性能的影響。由圖7可知，NaOH濃度為6%左右時，處理后的LSF/PP復合材料的彎曲強度最大，分別比純聚丙烯材料的彎曲強度和彎曲模量提高了73.1%和305.1%。而后隨著堿濃度變大拉伸強度和彎曲強度呈現下降趨勢。彎曲強度反應材料剛性的大小，說明經濃度為6%堿處理后的LSF/PP復合材料剛性最大，這一結果與前面的DMA測試對應，表明堿處理有效地提高了纖維與樹脂的界面，使復合材料的力學性能得到了提高。

圖7　堿處理濃度對LSF/PP復合材料彎曲性能的影響

4　結論

本文通過把劍麻工藝纖維連續起來，得到了用劍麻連續長纖維與PP混紡織成的織物，通過模壓工藝制備了劍麻連續長纖增強聚丙烯復合材料。由DMA測試可知，連續劍麻長纖的加入有效地提高了聚丙烯材料的儲能模量，以及由儲能模量曲線下降的幅度可知，LSF/PP復合材料比純PP更容易松弛。而拉伸性能和彎曲性能測試表明當堿處理濃度為6%時，LSF/PP復合材料的彎曲強度和彎曲模量最大，分別比純聚丙烯材料的拉伸強度和彎曲強度提高了32.5%和73.1%。另外，未處理和堿處理的劍麻纖維通過SEM分析可知堿處理使劍麻纖維表面變得粗糙，出現了明顯的溝壑，纖維表面粘附了部分膠質，該結構在制備復合材料過程中有利于改善纖維-樹脂之間的界面。由拉伸性能和彎曲性能測試可知，堿處理濃度為6%時彎曲強度最大，斷裂伸長率較小；堿處理濃度為2%時斷裂伸長率最大，彎曲強度最小。

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Effects of Alkali Treatment on the Mechanical Properties of Continuous Long Sisal Fiber Reinforced Polypropylene Composites

TANG Fen, GAN Hou-lei, ZHOU Han-tao, WANG Luo-xing, YI Chang-hai

（College of Textile and Materials, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China）

The woven PP/sisal fabric was prepared by warp of the Polypropylene filament and weft of the continuous long sisal fiber. PP/Sisal fabric was surface modified by different concentrations of sodium hydroxide solution. The composites of continuous long sisal fiber reinforced polypropylene were prepared by compression moulding techniques. The surface morphology of sisal fiber before and after alkali treatment was observed by SEM. The effects of different concentrations alkali treatment on the mechanical properties of the composites of continuous long sisal fiber reinforced polypropylene were studied. The results showed that alkali treatment etched the surface of sisal fiber and it had obvious influence on dynamic thermal mechanical properties, tensile properties and flexural properties of polypropylene composites reinforced by continuous long sisal fiber.

Continuous Long Sisal Fiber, PP, Woven Fabric, Composite, Mechanical Properties

TS102.5

A

1009－5160(2011)03－0011－05

*通訊作者：易長海（1968-），男，教授，研究方向：纖維材料紋性及其功能化應用.