表面处理对剑麻纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的影响

表面处理对剑麻纤维增强聚丙烯复合材料

力学性能的影响

王璐琳,何莉萍,田永,屈伟平

(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,机械与汽车工程学院,湖南长沙410082)

摘　要:为提高剑麻纤维和聚丙烯基体界面的粘合性,对剑麻纤维的几种表面改性方法进行了

试验研究。用电镜、红外光谱仪和X 射线衍射仪对剑麻纤维表面进行了表征,观察改性后纤维表面的变化,测定了复合材料的拉伸、弯曲和冲击等力学性能。结果表明:表面处理能有效提高剑麻

纤维和聚丙烯基体界面的粘合性,从而提高复合材料的力学性能;但此复合材料性能还达不到实际使用要求。

关键词:剑麻纤维;表面处理;力学性能;聚丙烯

中图分类号:TQ321.2 文献标识码:A 文章编号:100023738(2008)0520058204

Eff ects of Sur face Modif icat ion on Mechanical Pr oper t ies of Sisal Fiber

R einfor ced Polypr opylene Composites

WANG Lu 2l in ,HE L i 2ping ,TIAN Yong ,QU Wei 2ping

(Hunan U niversit y ,Cha ngsha 410082,Chi na)

Abst ract :

In or der to imp rove the adhe sivene ss between sisal fibe r and polypropylene ,several me thods of

surface modification wer e st udied.Sca nning electron microscopy ,in f ra red spect rum and X 2ray dif fraction wer e used to obse rve t he diff erence afte r modification.The re sult s show t hat surface modif ication ca n effectively increa se the adhe sivene ss and t hus imp ro re the mechanical behavior of composite s.

K ey w or ds :

sisal fiber ;surf ace modification ;mec hanical prope rty ;polypropylene

0　引　言

近年来,由于全球能源和环境问题日益突出,采用自然界丰富的天然植物纤维替代传统纤维增强树脂基复合材料逐渐受到人们的关注,生态复合材料(eco 2co mpo si tes)的概念应运而生,天然纤维主要是大麻、亚麻、剑麻和苎麻等。与传统复合材料相比,生态复合材料可生物降解和循环利用,在环境协调性和生态学方面都具有相对优势。其中,剑麻具有密度小、比强度和比模量高、价格低廉等优点,价格不到玻璃纤维的一半,只有碳纤维的1/20左右,在制备车身内饰复合材料方面具有很大的应用前景。

有关剑麻纤维/树脂基复合材料的研究表明,目

收稿日期:2007206220;修订日期:2007209205

基金项目:国家科技部“863”计划重点资助项目(2006AA110101)作者简介王璐琳(),女,北京人,硕士研究生。导师何莉萍教授

前,剑麻纤维在使用中还存在一些不足,例如剑麻纤维中存在大量羟基,具有亲水性,而大部分聚合物具

有憎水性,不利于纤维与树脂基体的界面粘结。因此在制备复合材料时需要首先对纤维表面进行改性,以除去纤维中的果胶、半纤维素和一些低分子杂质,从而增强其与基体之间的粘合性[1-7]。国内对剑麻纤维复合材料的研究起步较晚。从1993年开始对剑麻纤维的形态、结构、热行为和拉伸性能分别作了较深入的研究[8-11]

,后来在此基础上,又对剑

麻纤维树脂基复合材料进行了多方面的研究[12-18]。作者为解决剑麻纤维的上述缺点尝试了几种表面处理方法,以期通过表面处理改善纤维与基体的粘合性,提高复合材料的综合性能。

1　试样制备与试验方法

　试样制备

试验原料有剑麻纤维(SF),为束状纤维,广西剑

5第32卷第5期2008年5月

机　械　工　程　材　料

Mat erial s for Mecha nical Engi neeri ng

Vol.32　No.5

May 2008

:1981: 1.18

麻集团生产,密度为1.5g cm -3,直径为0.5mm 左右;聚丙烯(PP)为甘肃兰港石化有限公司生产的F401;乙酸(冰醋酸)为分析纯,天津市福晨化学试剂厂生产;丙酮,分析纯,长沙安泰精细化工实业有限公司生产;高锰酸钾(K MnO 4)为分析纯,上海三浦化工有限公司生产;氢氧化钠(NaO H)为分析纯,天津市福晨化学试剂厂生产;去离子水由本试验室自制。

将剑麻纤维用50℃左右的热水清除表面的杂质,后放入烘箱中于80℃烘干至恒重。

表面处理方法有以下几种:(1)将烘干后的剑麻纤维室温下浸泡于2g L -1(试样2)、5g L -1(试样3)的NaO H 溶液中30mi n ,然后用去离子水洗至中性,再放入烘箱中于80℃烘干至恒重;(2)将上述两种碱处理后的剑麻纤维用去离子水冲洗至中性,干燥后再浸入质量浓度为6g

L -1KMnO 4

的丙酮溶液中浸泡30min ,倒出溶液将纤维冲洗至中性,放入烘箱中于80℃烘干至恒重(试样4);(3)将质量浓度为2g

L -1的碱处理后的剑麻纤维用

去离子水冲洗至中性,干燥后再浸入常温下的冰醋酸(试样5)中30mi n 取出,用去离子水清洗至中性,放入烘箱中于80℃烘干至恒重。另剑麻试样1表示原麻;复合材料试样6表示聚丙烯。

将处理好的剑麻纤维剪成3mm 长的短纤维,然后与聚丙烯按1∶9的质量比混合,在TE 235型双螺杆挤出机中挤出、切粒,螺杆速度为50r mi n -1

,各级温度:第一区180℃,第二区206℃,第

三区213℃,第四区220℃,第五区220℃,机头温

度208℃;将粒料彻底干燥后在HD 21100注塑机上注塑成型,注射温度:一段区216℃,二段区210℃,三段区182℃,四段区22℃,五段区22℃,射嘴温度30℃;注射压力:射胶一区50MPa ,射胶二区48MPa ,射胶三区45MPa ,射胶四区33MPa 。1.2　试验方法

用J SM 25610型扫描电镜(SEM )观察经过真空

镀金的剑麻纤维表面形态;采用溴化钾压片法,溴化

钾和剑麻试样的质量比为200∶1,相混后仔细研磨、抽真空、压成透明薄片,用PA RA G ON500型红外光谱仪测试纤维表面的化学元素;用Sie mens D5000型全自动X 射线衍射仪(XRD )测定剑麻纤维的相结构。

各种力学性能试样均为如图1所示的标准件,用WDW 2100N 型万能电子拉伸试验机测定抗弯强度,跨距为70mm ,加载速度5m m min -1;用WDW 2100N 型万能电子拉伸试验机测定抗拉强度,拉伸速度为50mm

mi n -1;冲击试验在CBL 211J

摆锤冲击试验机上进行,试样为有缺口标准件,跨度70mm ;每种试验均取5个试样的平均值。

图1　拉伸、弯曲、冲击标准试样

Fig.1　Standar d s amples of t ensile ,ben ding an d impact experi m ent

2　试验结果与分析

2.1　剑麻纤维的形貌与构成

由图2可见,剑麻纤维成束状纤维,未处理的纤维表面较粗糙,具有较多杂质;经过处理的纤维形态结构发生较大变化,表面光滑,纤维结构清晰。可见

表面处理可以去除纤维中的部分杂质,使纤维表面变得光滑,出现了较明显的沟壑,该结构在纤维与聚合物共混时,有利于纤维与基体之间的界面粘合[7]。

(a)　试样1(b)　试样2(c)　试样3(d)　试样4

图2　不同处理剑麻纤维的SEM 形貌

F S M y f SF

5ig.2E mor pholog o 9