天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究

基金项目:湖南省教育厅一般项目(07C093)

作者简介:吴 茵(1972-),女,副教授,主要从事高分子复合材料的

研究与教学工作。

材 料

天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究

吴 茵,周拥仔

(长沙理工大学,湖南长沙 410076)

摘 要:文章介绍了天然纤维主要是剑麻纤维与苎麻纤维的组成与性能,总结了剑麻纤维与苎麻纤维常用的物理和化学改性方法;简述了几种潜在能作为摩擦材料基体的热塑性树脂的性能,综述了天然纤维增强聚合物基复合材料以及天然纤维增强聚合物基摩擦材料的研究进展,最后得出由于天然纤维以及热塑性树脂的优异性能,天然纤维增强热塑性树脂摩擦材料的研究将会产生重大意义。关键词:剑麻纤维;苎麻纤维;改性;摩擦材料;热塑性树脂

中图分类号:TQ050 4 文献标识码:A 文章编号:1003-5540(2008)01-0033-04

自20世纪70年代以来,世界各国的研究者和汽车制造商都在为汽车摩擦片寻找石棉纤维的代用品。目前摩擦材料的主流增强纤维以钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、矿物纤维、粉末冶金以及其它有机合成纤维等为主。但使用单一纤维作为增强材料都存在一些弱点,因此目前往往采用几种纤维混杂来增强摩擦材料,以取长补短。虽然这些纤维在增强摩擦材料方面有各自的优点,但是与传统的石棉摩擦材料相比,应用于摩擦复合材料仍有以下缺点[1,2]:(1)增强纤维与基体的相容性较差;(2)价格较石棉类摩擦材料高很多;(3)摩擦材料性能不稳定,综合摩擦制动性能较之石棉摩擦材料还有一定差距。天然纤维由于其具有很多优异的特性而逐渐地被研究者所熟悉,比如其拉伸强度和断裂强度高、耐摩擦磨损、生态环保、可自然降解、是可再生资源以及轻质价廉等等。目前,天然纤维增强聚合物基复合材料用在汽车内饰件的研究比较多,而用于增强聚合物作为摩擦材料使用在国内外则比较少见。本文探讨了采用天然纤维作为增强体来制备新型复合摩擦材料的可能性,并指出天然纤维增强的摩擦材料在不久的将来会成为研究的热点。

1 天然纤维组成与性能

天然纤维主要有剑麻纤维、苎麻纤维和黄麻纤

维等麻类纤维,还有竹类纤维和麦秆等,这里主要介绍应用较广泛的剑麻纤维和苎麻纤维。

1 1 剑麻纤维的组成与性能

剑麻是多年生草本植物,剑麻纤维是从剑麻叶上获取的维管束纤维,这类纤维一般比较粗硬(也称硬纤维),长度较长、伸长率小、强度好、耐海水侵蚀、耐盐碱、耐低温,而且洁白并富有光泽。剑麻纤维是由纤维素、半纤维素、木质素、果胶等组成,其化学成分列于表1。

表1 剑麻纤维的化学组成

%

纤维素半纤维素木质素果胶水溶物蜡质素含水率65 8

12 0

9 9

0 8

1 2

0 3

10 0

纤维素是影响剑麻纤维的拉伸强度、弹性、可塑性等性能的主要因素。纤维素含量越多,纤维的模量越大。木质素含量少,则纤维色泽好,柔软富有弹性,可纺性及染色性均较好;反之则木质化程度高,纤维强度高,质地较硬。剑麻的木质素含量相对较高,而质地较硬。果胶含量多少也是直接影响纤维强度和硬度的因素。东华大学姜繁昌教授用电镜观察并分析的剑麻纤维的形态结构。观察得到剑麻单纤维无卷曲,表面较粗糙,且有横节和竖纹;由横截面形态得知一般剑麻束纤维由50~150根单纤维组成,单纤维横截面呈多角形或近似卵圆形,有中腔,但中腔大小不一;单纤维长度为1 5~4mm,单纤维密度为20~30nm [3]。

与其他天然植物纤维相比,剑麻纤维具有纤维长(1~1 4m)、色泽洁白、质地坚韧、富于弹性、拉伸

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第24卷第1期2008年2月

湖南有色金属

HUNAN NONFERROUS METALS

强度大、耐摩擦、耐酸碱、耐海水腐蚀以及耐低温等多种优良特性。剑麻纤维木质素和果胶含量较高,它的木质素含量高于苎麻(1 47%),低于黄麻(11 78%);而果胶含量高于苎麻(0 62%)和黄麻(0 38%);纤维素含量高于木材[4]。故剑麻纤维是这些天然纤维中较为理想的一种,而且由于剑麻纤维的密度小,其比强度和比模量较高。缺点是其力学性能的多分散性,这可能是剑麻在生长过程中由于环境条件的差异而导致其结构的不同;剑麻纤维既含有结晶成分也有非晶成分,因此剑麻纤维适于制备轻质、比强度和比模量高、价廉的纤维树脂基复合材料。表2是剑麻纤维与其他增强纤维的性能与价格的比较[5]。

表2 剑麻纤维与其他增强纤维的性能与价格的比较

项 目密度/g cm-3伸长率/%拉伸强度/MPa拉伸弹性模量/GPa比强度比模量相对价格剑麻1 452 0~2 5511~6359 4~22 05702 321苎麻1 53 6~3 8400~93861 4~1287002 1-黄麻1 31 5~1 8393~77326 53201 418亚麻1 52 7~3 2345~103527 54801 2130大麻-1 6690-4801 8-椰纤维1 230 01754 0~6 0--17

S玻纤2 52 8457086 085528-

E玻纤2 52 522000~350070 0--100

芳酰胺纤维1 43 3~3 73000~315063 0~67 0---碳纤维1 41 4~1 84000230~240---

1 2 苎麻纤维的组成与性能

苎麻纤维的化学组成主要是纤维素,其次是半纤维素、木质素、果胶、灰分、脂肪蜡质和其它成分。其化学组成列于表3[6]。

表3 苎麻纤维的化学组成%

纤维素半纤维素木质素果胶灰分脂肪蜡质其他成分

65~7514~160 8~1 54~52~50 5~1 04~8

苎麻纤维横截面为中空的腰圆形,纵向有横纹和竖节,其力学性能是麻纤维中最好的[7]。

苎麻纤维在麻类纤维中性能最好,这从表2中与其他天然麻类纤维的比较也可以看出来,其纤维素含量高,是唯一能以单纤维状态纺纱的麻类纤维,苎麻纺织品具有凉爽、透气、易于吸湿、散湿以及抗菌防蛀等优点;同时它还具有吸湿散湿快和抗菌、耐腐蚀的特点,适合于作复合材料的增强材料。但是苎麻纤维大分子结晶度和取向度高,纤维外表平直、粗硬、无卷曲、断裂伸长和勾结强度低,苎麻纤维分子结构紧密[8]。

2 天然纤维的改性

天然纤维的不均匀性及与基体树脂的粘合性差和抗湿能力差,使得天然纤维增强复合材料的应用受到了限制。通过对天然纤维的表面改性,降低其与基体树脂界面间的张力,提高纤维和树脂间的粘合性,以提高材料的力学性能和抗湿能力,可以大大拓宽天然纤维增强材料的应用范围。

2 1 剑麻纤维的改性[9]

剑麻纤维由于含有大量的羟基而呈现亲水性,而大部分聚合物是憎水的,因而不利于剑麻纤维与树脂基体的界面粘结;同时亲水性的纤维还容易吸取外界的水分,使材料在使用过程中在界面逐渐分层[1],从而造成性能下降。此外,剑麻纤维还存在着结构不均匀和尺寸稳定性差的缺陷。因此,在制备剑麻纤维树脂基复合材料前通常需要对纤维进行改性处理,以降低其亲水性及吸湿性,提高复合材料的界面粘结力。目前改性的方法有物理方法和化学方法两类。这些改性方法对纤维和基体之间的界面粘结产生不同的效果。

2 1 1 物理方法

物理方法不改变纤维的化学成分,通过影响纤维的结构和表面特性,由此改变纤维和基体的亲和力。剑麻纤维的物理方法包括热处理、放电处理、 射线辐照处理、蒸汽爆破处理、等离子体处理和拉伸处理等。

1 热处理。热处理是很常用的表面改性的方法,适度的热处理可以提高剑麻纤维的结晶度,使其断裂强度和初始模量有明显增加,吸水性略有下降,提高复合材料的综合性能。

2 放电处理。放电处理包括电晕和低温等离子体处理,可以改变植物纤维的表面能。

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