偶聯劑處理對黃麻纖維結構及性能的影響

楊志胡 張鎮杰

（1 廣東省建筑材料研究院有限公司；2 北京理工大學珠海學院）

0 前言

麻類纖維主要由麻類植物中提取而得，自然界中的麻類植物分布比較廣泛，主要集中在熱帶到亞熱帶地區，我國種植的麻類植物主要有劍麻、苧麻、亞麻、黃麻、大麻、紅麻、羅布麻等。黃麻纖維是價格最低廉的纖維之一，主要由黃麻中提取得到，在我國種植面積廣，產量大僅次于棉花，屬于可再生資源。

黃麻纖維不僅價格低廉、來源廣、具有易染色性、人體親和舒適性佳、可降噪、緩沖強且密度低、對環境友好可進行生物降解等優異特性。它與其他麻類纖維一樣，等同屬于韌皮纖維素纖維，被稱為“黃金纖維”[1]。韌皮纖維由于其存在手感粗硬、纖維剛性較強等特點，導致其可紡性差，目前使用最多的依然是一些粗加工產品，如麻袋麻繩、土布袋、工業紙漿[2]等。隨著現代工業的發展，黃麻纖維不斷被開發應用到家紡、服用、包裝、工業用等領域[3]。其往往在加工利用時，與其他材料進行各種改性處理，能夠制得不同功能的黃麻纖維[4]。經過改性的黃麻纖維也可以用來制備各種復合材料，可應用于各個高端技術領域[3]。

1 原材料與實驗設計

1.1 原材料、儀器

原材料、儀器見表1、表2。

表1 實驗原料

1.2 試驗過程

1.2.1 樣品制備過程

在室溫下，用無水乙醇作溶劑配置系列濃度梯度為0%～4%、間隔為1%的硅烷偶聯劑備用；黃麻纖維用10%氫氧化鈉進行堿處理，每次添加2g。

實驗分為兩部分，第一部分，首先假設硅烷偶聯劑濃度為2%，改變浸泡時間分別為1h、2.5h、4h，根據實驗結果得出最佳浸泡時間；第二部分，根據所得出的最佳浸泡時間，改變硅烷偶聯劑濃度，梯度為0%～4%。

浸泡過程中每隔10min 用玻璃棒進行攪拌，使得黃麻纖維呈分散狀。待浸泡時間到后，將黃麻纖維撈出用蒸餾水洗滌至中性，然后用玻璃棒擠壓后攤開分散放置于容器中，移入鼓風干燥箱干燥24h 備用。通過下列性能測試挑選出最優的偶聯劑處理方案。

1.2.2 測試過程

⑴熱重（TG）分析

測試方法：采用TGA-50 熱失重分析儀，分別對改變硅烷偶聯劑浸泡處理時間前后，以及改變硅烷偶聯劑濃度浸泡處理前后的黃麻纖維進行熱穩定性分析。

本次黃麻纖維的熱重分析主要依據GB/T 31984-2015 以及TGA-50 熱重分析操作流程進行檢測，將熱重分析儀TGA-50 設定氣氛為氮氣，進氣速率為30mL/min，升溫速率為10℃/min，選用坩堝材質為鋁坩堝，升溫范圍為20～500℃。

⑵SEM 分析

挑選纖維表面較光滑、粗細程度均勻的試樣表面噴金，用Hitachi S-530 型掃描電鏡觀察表形。因為本次實驗產品為經過硅烷偶聯劑處理前后的黃麻纖維是絕緣體，在電鏡觀察時表面會積累電荷，使得畫面異常，所以要先在所裁樣品的表面上鍍金屬膜，然后盡可能低頻進行掃描觀察[5]。

2 實驗結果和討論

2.1 浸泡時間對熱失重的影響

實驗結果如圖1 所示。

圖1 不同浸泡時間熱重分析

從圖1 中可知，用2%含量的硅烷偶聯劑浸泡2.5h的黃麻纖維熱失重最少，浸泡2.5h 的曲線比浸泡1h 的穩定，且效果優于浸泡1h 的；而且與浸泡4h 的相比，提高了耐熱性能，同時可以節省時間成本，故硅烷偶聯劑處理時間選用浸泡2.5h 作為堿處理后的黃麻最佳浸泡時間。

2.2 偶聯劑濃度對熱失重的影響

實驗結果如圖2 所示。

圖2 不同偶聯劑濃度熱重分析

偶聯劑恰當的用量對于處理纖維能夠增加纖維與樹脂的相容性，在力學性能和加工流動性都更加優異，改善復合材料的強度和流動性方面更顯著。

根據圖2 可以看出，經過偶聯劑處理過的黃麻纖維和未處理過的黃麻纖維熱降解行為相類似，由此都可以分為三個區間：初期、一次分解區、二次分解區。其三個區間大致都為初期30～230℃、分解區230～380℃、二次分解區380～500℃。

通過圖2 的曲線對比可知，經過偶聯劑處理過的黃麻纖維，其一次分解和二次分解的溫度明顯比未處理過的溫度要高；另外通過曲線中的剩余量對比可得，摻量為1%～4%的硅烷偶聯劑處理過的黃麻纖維，其熱穩定性先上升，在2%摻量時達到最佳，隨后開始下降，4%摻量時最差。

經過2%硅烷偶聯劑處理的黃麻纖維，更能表現出它的作用以及經濟效益，更為適合黃麻纖維的改性，用濃度為2%的硅烷偶聯劑浸泡2.5h 處理是作為堿處理后的黃麻的最佳處理項，可以節省偶聯劑用量的同時，也不會使氫氧化鈉與偶聯劑發生多余副反應。

2.3 SEM 微觀形態分析

針對未經偶聯劑處理的黃麻纖維以及用濃度為2%的硅烷偶聯劑浸泡2.5h 處理過的黃麻纖維進行SEM 觀察其微觀形貌，結果如圖3 所示。

圖3 處理前后纖維SEM 掃描圖

圖3 中：①～③分別為未經偶聯劑處理過的黃麻纖維1μm、2μm、10μm 的放大倍數SEM 圖，由圖可看出黃麻纖維表面呈凹凸不平狀，且纖維內有較為明顯的裂痕，部分基團聚集緊密；④～⑥分別為經偶聯劑處理過的黃麻纖維1μm、2μm、10μm 的放大倍數SEM 圖，由圖可看出，經過處理偶聯劑過的黃麻纖維結構松散，表面粗糙，纖維直徑變粗，且有細粒附著物。

由圖3①和圖3④對比明顯看到，未經偶聯劑處理的黃麻纖維基團空隙較小，影響到了纖維力學性能的延伸；由圖②和圖⑤以及圖③和圖⑥對比分析得出，經偶聯劑處理過的黃麻纖維基團間間隙明顯變大，且呈蓬松狀結構。

綜上分析，經過偶聯劑處理過的黃麻纖維基團間隙得到了明顯擴大，蓬松的結構使纖維與聚合物樹脂之間的接觸面積擴大，基團在偶聯劑的作用下使纖維表面的OH-減少，降低了纖維的極性，提高了其親油性能，導致有效抓取基團的能力得到提升，從而提高了黃麻纖維與樹脂的相容性[6]。

3 結論

通過設計不同的浸泡時間，以及不同的硅烷偶聯劑的濃度，對黃麻纖維進行偶聯劑處理，得出以下結論：

⑴通過SEM 微觀形態分析，證明偶聯劑處理有著明顯的效果：經過硅烷偶聯劑處理過的黃麻纖維內部結構不僅間隙得到明顯增大，增強與其共混的聚合物樹脂之間的接觸面積，且使得纖維由親水轉為親油性，從而提高其與聚合物樹脂的相容性和共混效果。

⑵綜合熱重分析、SEM 微觀形態分析等各項測試得出，選用2%的硅烷偶聯劑浸泡黃麻纖維2.5h，是其偶聯劑處理的最佳條件。