纖維增強聚丙烯復合材料研究進展

李智鑫,張才前

(1.紹興文理學院 紡織服裝學院,浙江 紹興312000;2.紹興文理學院 元培學院,浙江 紹興312000)

聚丙烯簡稱PP,有較好的力學性能、阻燃性及尺寸穩定性等,因此在汽車、機械等工業及日常生活中用途廣泛,是使用最廣泛的塑料之一,也常用來作基體材料。纖維是一類材料,是連續的長絲或離散的細長件,類似于線的長度,可以紡成細絲、繩索或細繩[1],可用作聚丙烯基體的增強體。由于部分纖維與聚丙烯的吸濕性差異明顯,因此二者之間存在界面相容性差的問題,需要對纖維表面進行處理來增強黏合力,以此改善復合材料的性能。介紹了不同纖維增強的聚丙烯復合材料,主要包括纖維素纖維、有機合成纖維及無機纖維。

1 纖維素纖維

1.1 麻纖維

1.1.1 黃麻纖維

在纖維素纖維中,黃麻似乎是最有用、廉價且易得的纖維。黃麻纖維含有82%～85%的全纖維素,其中58%～63%是α-纖維素。傳統的黃麻,一般用于制造粗麻布衣服、繩索、麻袋、地墊等。黃麻產量高,性能好并有生物降解性,因此是復合材料增強體的一個選擇。

RAH MAN M R等[2]將粗制的黃麻纖維進行氧化,用尿素對制成的復合材料進行后處理,將粗制黃麻與氧化后的黃麻進行微結構和機械性能的對比,并使用了不同的纖維含量。結果發現,氧化的黃麻纖維具有更好的機械性能,尿素后處理增加了纖維與基體之間的界面結合力,含量為30%的黃麻增強復合材料具有最佳的機械性能。

亞麻是最古老的作物之一。亞麻植物由帶有種子莢的根、莖和樹枝組成,僅植物的中心部分可用于生產纖維。亞麻是一種低密度可再生原料(約1.4～1.5 g/c m3)[3],有很高的比強度、模量,良好的耐磨性和阻燃性。使用亞麻纖維作為復合材料的缺點包括低熱穩定性,高吸濕性和有限的纖維長度。

HU Q X等[3]為了降低亞麻/聚丙烯復合材料的吸濕性并改善其機械性能,將亞麻經過堿處理,分別以硅烷N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺(AAPTS)和三甲基十八烷基溴化銨(STAB)為表面活性劑對亞麻進行改性,表征亞麻增強PP復合材料的界面黏合性、吸濕性和機械性能,試驗證明,STAB改性的亞麻可以與聚丙烯產生更好的界面黏合性。

1.2 竹纖維

由于竹子生長速度快,僅需要幾個月的生長,因此是一種豐富的自然資源,常用于建造各種生活設施和工具。竹子中的纖維素纖維沿竹子的長度排列,在竹纖維的方向上具有最大的拉伸強度、彎曲強度和剛度,竹子的高強度和韌性歸因于其纖維細胞壁中纖維素含量高,竹纖維被稱為“天然玻璃纖維”[4]。

SHA MRIA S L等[5]使用壓縮成型工藝制備竹纖維增強聚丙烯復合材料,并測試其機械性能和電阻率。最終結果顯示硬度為94 HS,結晶度為69%,當頻率在1 KHz到1 000 KHz之間變化時,復合材料的電阻率大約降低了90.38%,與純PP相比,該復合材料具有更高的沖擊強度和電阻率,因此是用于電氣絕緣的合適材料。

1.3 椰殼纖維

椰殼纖維是從椰子樹果實的殼中獲得的纖維,椰子樹在熱帶國家廣泛生長,傳統椰殼產品僅占椰殼總產量的一小部分。椰殼纖維通常用于制造各種地板裝飾材料、紗線、繩索、墊子、床墊、填縫船、土工紡織布、隔熱板等。椰殼具有良好的特性,高硬度、隔音、防蛀、無毒、不易燃、抗微生物和真菌降解,同時椰殼纖維還比其他纖維素纖維更耐濕,并耐高溫和鹽水[6]。

HAQUE M等[7]用苯重氮鹽對椰殼進行化學處理,使用單臺擠出機和注塑機制備椰殼/聚丙烯復合材料。結果顯示:經過化學處理的復合材料具有更好的機械性能,復合材料的機械性能隨纖維負載量的增加而增加。但是,與30%的纖維相比,纖維含量為35%的復合材料的彎曲強度和沖擊強度較低。因此纖維負載量為30%的椰殼纖維增強聚丙烯具有最佳的機械性能。

1.4 稻殼纖維

稻殼是一種可再生低成本植物殘渣,稻殼由于其獨特的成分,通常用作燃料,可提供熱量和發電,小部分用于天然纖維復合材料。與木材復合材料相比,稻殼有耐候性、可用性、可生物降解性和穩定性等優點,稻殼復合材料在鑲板框架和汽車零件的建筑物中的應用越來越多[8]。

為了更好地籌集小型農田水利設施建設資金，可以積極引導當地富裕農戶和企業進行水利工程的投資，在工程投入使用后按照一定的比例對投資者進行合理的利潤分配。水利設施的建設者、所有者以及受益者是一個密不可分的利益共同體，他們既是所有者又是勞動者，通過資金和勞動的貢獻量來確定分紅的比例。相關職能部門要制定嚴格的建設管理措施，明確各方的責任與義務，嚴格執行各項規章制度，積極指導經營管理，做好監督檢查工作，保證各項工作的順利開展。

KUMAR V等[9]把馬來酸酐聚丙烯用作相容劑,用不同的填料與稻殼增強聚丙烯復合材料進行對比,如滑石粉、云母、Ca CO3、硅灰石和氧化鋯等,研究復合材料的硬度、沖擊強度等機械性能。結果表明,馬來酸酐聚丙烯可以提高復合材料的拉伸強度,而滑石粉改性的復合材料比稻殼聚丙烯復合材料具有更好的屈服強度、楊氏模量和彈性模量。

1.5 菠蘿葉纖維

菠蘿纖維的主要化學成分是纖維素(70%～82%),木質素(5%～12%)和灰分(1.1%)[10]。菠蘿葉纖維是菠蘿種植的廢品,價格相對便宜且可大量獲得,菠蘿葉纖維具有優異的機械性能,這與其高纖維素含量有關。因此,無需任何額外的成本投入,就可以將菠蘿葉纖維用于工業用途,它有著聚合物增強復合材料的潛力。

ARIB R M N等[10]調查了菠蘿葉纖維/聚丙烯復合材料的拉伸和彎曲行為與體積分數的關系。發現使用菠蘿葉纖維作為聚丙烯基質的增強劑,可以成功地開發出具有良好強度的復合材料。在一定范圍內,體積分數增加,復合材料的彎曲模量及彎曲應力也會增加。其中體積分數為10.8%的拉伸模量和拉伸強度分別為687.02 MPa和37.28 MPa。彎曲模量在2.7%的體積分數下具有較高的值。

2 有機合成纖維

2.1 碳纖維

碳纖維因其高比強度、比模量和熱物理性質而成為最廣泛用于熱塑性和熱固性復合材料的增強纖維之一,它還有出色的機械性能,包括高拉伸強度、高拉伸模量、出色的抗壓強度、低密度。使用碳纖維作為增強材料可獲得具有高強機械性能的輕質材料。在未來,低成本的碳纖維可能會為許多技術提供巨大的應用前景。

TIAN H F[11]制備碳纖維/聚丙烯復合材料的過程中加入馬來酸酐接枝聚丙烯,并詳細研究所得復合材料的機械性能和結晶行為。發現復合材料的界面相容性很好,碳纖維均勻分散在PP基體中。CF對PP基體表現出明顯的增強作用,改善了PP材料的力學性能,當CF質量為20%時,拉伸強度和彎曲強度提高了100%以上。

2.2 芳綸

芳綸是具有強度高、模量高、比重低、抗沖擊性高、耐熱性好,優異的抗疲勞性和抗蠕變性,是防彈裝備的常用纖維。將芳綸溶液擠出成纖維形式時,這種結構的平行聚合物鏈與纖維軸平行的排列度極高,相鄰分子中氫和氧原子之間的弱氫鍵使它們在橫向上保持在一起。所得的長絲是高度各向異性的,在縱向上比在橫向上有更高的強度和模量。

N Nayak[12]將滌綸纖維織物環氧樹脂和芳綸纖維織物-聚丙烯(PP)復合層壓板受7.62 mm裝甲穿透彈丸撞擊的彈道性能進行對比,發現彈道極限隨復合層壓板的厚度線性變化。與同等厚度的芳綸-環氧復合材料相比,芳綸/PP復合材料表現出更高的彈道極限,可得出結論:與熱固性樹脂相比,非極性熱塑性樹脂是防彈應用的潛在基質材料。

2.3 聚酯纖維

聚酯纖維又稱滌綸,是目前市場上產量最高的合成纖維,且產量增長迅速,主要作服用或裝飾織物,應用在服裝、產業用紡織品、工業、農業等各個領域。由于其具有高強度、良好耐磨性和保形性等優點,常用來作復合材料的增強體。

江興文[13]通過熔融共混法制備了聚酯纖維/聚丙烯復合材料,發現經過燒堿處理后,基體與增強體之間的作用力有明顯增加。隨著聚酯纖維含量的增加,復合材料的力學性能增強,在10%～15%時,力學性能最好;偶聯劑在15%以內的情況下,復合材料的沖擊強度隨偶聯劑的增加而提高,在10%的情況下達到最佳值。

3 無機纖維

3.1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)具有良好性能,包括優異的絕緣性、耐熱性、耐腐蝕性以及耐化學性,并且玻璃纖維的成本很低,因此成為一種理想的金屬替代材料,在纖維增強塑料行業中廣泛使用,E玻璃和S玻璃是纖維增強塑料行業中常用的纖維類型。用玻璃纖維增強的聚合物復合材料由于有高性價比而廣泛用于航空航天、電子信息、工業生產等領域。

潘利明[14]等通過雙螺桿混煉工藝得到玻璃纖維/PP復合材料,發現加入25%玻璃纖維時,材料的拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度都有100%以上的提升。在復合材料中加入無機磷酸鋯載銀抗菌劑賦予材料抗菌性,最后證實是25%的玻璃纖維和1%的抗菌劑結合能得到性能最好的復合材料,包括抗菌防霉、耐老化性能和力學性能。

3.2 金屬纖維

金屬纖維是有別于傳統紡織纖維的一種材料,有著強導電性、導熱性、耐熱性等優良性能,因此有一定的產品優勢,一般可作為導線、抗靜電材料、防輻射材料、電磁波屏蔽材料、濾網和其他特殊材料,也可作為復合材料中的增強材料,應用在汽車、工業制造、產品運輸等領域。

在添加聚乙二醇(PEG)和聚丙烯接枝馬來酸酐(PP-g-MA)的情況下,NAEBE M等[15]將鋁顆粒(Al)添加到聚丙烯(PP)中生產復合材料,然后熔紡成單絲并測試拉伸性能、直徑均勻性和形態,從而發現,PEG和PP-g-MA可以改善鋁顆粒在聚丙烯基體中的分散性,從而改善Al/PP復合纖維的均勻性和拉伸性能。兩者相比,PEG能更好地改善纖維拉伸強度。

3.3 陶瓷纖維

陶瓷纖維是一種多晶耐火材料,有質輕、強度高、化學穩定性好等優點,應用于化工、能源、航空航天等多種領域。陶瓷纖維由各種金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物及其混合物組成。陶瓷纖維可分為二大類:非氧化物陶瓷纖維和氧化物陶瓷纖維。其中氧化鋯、氧化鋅、氧化鋁、鈦酸鋇等是氧化物陶瓷纖維的代表。

翟倩[16]以硅烷處理后的氧化鋁為增強體,聚丙烯為基體,制備復合材料,著重研究其機械性能以及耐熱性能。發現處理后的復合材料的拉伸強度略有下降,而沖擊強度、邵氏硬度以及拉伸模量都有提高,同時通過熱分析法表明,材料的耐熱性明顯提高。

3.4 玄武巖纖維

玄武巖纖維是在流動的熔巖中發現的,是從玄武巖基熔融火成巖火山巖擠出后所得[17]。它在高溫下保持良好的強度和剛度,具有出色的穩定性、良好的耐化學性,并且易于加工、無毒、天然、環保且便宜。近年來,玄武巖纖維作為增強體的應用逐步增多,可用于石化、土木工程和運輸行業。

TANG C H[18]比較了玄武巖纖維增強聚丙烯(BFRPP)復合材料和純聚丙烯(PP)的熱穩定性和燃燒性能。結果表明,玄武巖纖維對提高PP的初始分解溫度沒有積極影響,但可以降低最大熱分解速率,提高最大熱分解速率的溫度。在PP中添加玄武巖纖維可能會稍微降低極限氧指數,在相同的氧氣濃度下,BFRPP的燃燒明顯比PP慢得多。

4 界面相容性的研究

復合材料的強度和承載能力基本上取決于纖維和基體的機械性能、微觀結構及其界面相容性,由于纖維與基體的化學成分不同,因此二者的界面相容性差是纖維增強聚丙烯復合材料的一個主要存在問題,也是重點研究方向。一般可通過對纖維進行改性或添加偶聯劑來改善復合材料的界面黏合力,改性方法包括堿處理、氧化、重氮化、乙酰化和其他化學處理等[19]。YU T等[19]發現堿化處理對提高界面相容性至關重要,使用馬來酸酐聚丙烯共聚物和乙烯基三甲氧基硅烷處理可對界面相容性有進一步的改善。CHEGDANI F等[20]發現碳納米管與石墨烯納米片相比,碳納米管和馬來酸聚丙烯的共同作用可達到復合材料最佳的界面相容效果。HIDAYAH N M S等[21]證明了通過將線性烷基鏈接枝到氧化石墨烯表面可使聚丙烯納米復合材料的界面相容性得到改善。

5 發展前景

隨著時代的進步,傳統的纖維織物很難滿足現代生活的需求,因此要結合現代紡織技術生產出性能更好的纖維。復合材料能夠結合兩種甚至多種材料的優點,改善材料的綜合性能,因此擁有廣闊的發展前景。復合材料發展迅速,由單一功能向多功能發展,材料尺寸由微米級向納米化轉變(由納米微粒向納米纖維轉變),界面處理技術的提升促使越來越多的纖維可作為復合材料的增強體,因此復合材料種類日益擴大。相信隨著對聚丙烯復合材料研究的不斷深入,會賦予復合材料更多更優異的性能,產品的附加值增大,聚丙烯復合材料將在汽車工業、醫藥器材、建筑行業以及生活生產發揮著更重要的作用,給社會帶來更多的效益。