碱处理对剑麻连续长纤增强聚丙烯复合材料力学性能的影响

汤　芬，甘厚磊，邹汉涛，王罗新，易长海



碱处理对剑麻连续长纤增强聚丙烯复合材料力学性能的影响

汤芬，甘厚磊，邹汉涛，王罗新，易长海*

（武汉纺织大学 纺织与材料学院，湖北 武汉 430073）

以丙纶长纤为经纱，剑麻连续长纤为纬纱，织成剑麻/PP平纹机织物。采用不同浓度的氢氧化钠对织物进行碱处理，将处理后的织物与聚丙烯薄板模压成型，制备出剑麻连续长纤增强聚丙烯复合材料。采用SEM对碱处理前后的剑麻纤维形貌进行分析，讨论不同碱处理浓度对复合材料力学性能的影响。结果表明：碱处理对剑麻连续长纤的表面具有刻蚀作用，以及对剑麻连续长纤增强聚丙烯复合材料的动态热机械性能、拉伸性能、弯曲性能均有一定的影响。

剑麻连续长纤；聚丙烯；机织物；复合材料；力学性能

1　前言

近年来，剑麻作为一种可生物降解、循环利用的天然纤维广泛地应用于复合材料的增强材料[1-4]。而剑麻纤维增强聚丙烯复合材料由于具有密度小、耐热、耐化学腐蚀、低成本和可循环等优点，比其它剑麻纤维增强热固性材料得到了更多的关注，许多学者发表了剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的研究论文[5-11]。例如，Arzondo等[6]研究了一种低成本、低纤维断裂制备剑麻纤维增强聚丙烯的工艺方法，研究表明MA-g-PP的酸酐基和剑麻纤维的羟基发生酯化反应，有效地提高了纤维-树脂的界面性能，使复合材料的力学性能得到了提高。Joseph等[7]通过用熔融混合和溶液混合的方法制备了短剑麻纤维增强聚丙烯复合材料，作者通过在混合熔体建立纤维长度分散模型，使复合材料的实验拉伸性能与理论上的拉伸性能做对比，建立了纤维取向的模型。Xie等[8]把聚甲基丙烯酸甲酯接枝到剑麻表面上，通过注射成型制备了SF/PP复合材料，结果表明它可以提高剑麻纤维和聚丙烯基体分子间的作用力，改善剑麻纤维在聚丙烯基体中的分散性。

目前大量的文献都是针对短剑麻纤维增强树脂基的研究，讨论了表面处理对剑麻纤维增强树脂基复合材料的影响[12-14]。甚少有学者研究剑麻长纤维增强树脂基复合材料或者是剑麻织物增强树脂基复合材料，这是因为由于剑麻长纤维粗硬，在制备复合材料工程中不易于加工。而且，由于剑麻纤维与树脂基体的浸润性差等问题，在短剑麻纤维制备复合材料过程中，短剑麻纤维容易聚集成团，难以分散均匀，不利于制备高强度的复合材料。本文通过把剑麻工艺纤维连续起来，得到了用剑麻连续长纤维（LSP）与PP混纺织成的织物，通过模压工艺制备了剑麻连续长纤增强聚丙烯复合材料。另外，本实验通过用不同的碱浓度对剑麻连续长纤（LSF）/PP织物进行处理，讨论了未处理和处理后的织物对剑麻连续长纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能和弯曲性能的影响。

2　实验部分

2.1实验原材料及规格

剑麻纤维（LSF）：广西剑麻集团；丙纶纱线：300D，射阳县丝丝缘化纤有限公司；氢氧化钠：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水：自制。

2.2实验试样制备

剑麻连续长纤/丙纶机织物的织造：以丙纶为经纱，剑麻连续长纤为纬纱，采用机织物小样机制备剑麻连续长纤/丙纶机织物。其织物组织上机图如图1所示。

图1　织物组织上机图

剑麻/丙纶织物的碱处理：分别用了不同的碱浓度对织物进行表面处理，水洗至洗液pH为7左右，放入到60℃烘箱中烘干，待用。

复合材料的制备：将碱处理后的织物裁成尺寸为15cm×15cm的样片，铺层数为2层，铺层时经纬方向呈90°，然后与PP薄板放入XLB-D350X350型平板硫化机上模压成型。PP薄板的力学性能由表1可见。其工艺条件为模压温度180℃，压力10MPa，时间10min，然后自然冷却至室温，制得复合材料。在复合材料的制备过程当中，PP在高温下熔解并与基体相溶，而剑麻长纤在复合材料板中可获得了排列均匀的效果。其复合材料的结构如图2所示。

表1　PP的力学性能

图2复合材料的结构图

2.3性能测试与表征

SEM分析：采用荷兰FEI公司的Sirion 200型扫描电子显微镜表征剑麻纤维碱处理前后的形貌。溅射仪喷金处理，加速电压20kV。

动态热机械性能测试：采用德国耐驰公司的DMA242C型动态热机械分析仪对复合材料的热机械性能进行测试。测试条件为：升温速度5℃/ min，单频f =1Hz ，额外附加力5.000 N，振幅30μm。

拉伸性能测试：参照国标GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》。采用济南联工测试技术有限公司WDW-20E型万能试验机测试复合板材的拉伸性能。拉伸速度为50mm/min，试样夹持距离为50 mm。试样规格为115mm×10mm，厚度为2 mm。

弯曲性能测试：采用济南联工测试技术有限公司WDW-20E型万能试验机测试复合板材的弯曲性能，按GB/T9341-2000测试，加载速度为1 mm /min。试样规格为80 mm×15 mm。

3　结果与讨论

3.1碱处理对剑麻纤维表面形貌的影响

图3为碱处理前后剑麻纤维表面形貌图。由图3可知，未处理的剑麻纤维有比较明显的横节竖纹，纤维表面有较多杂质，碱处理后的剑麻纤维表面变得粗糙，出现了明显的沟壑，纤维表面粘附了部分胶质，这是由于碱处理使剑麻纤维表面的杂质（如果胶等）脱落所致。该结构在制备复合材料过程中有利于改善纤维-树脂之间的界面[12]。

（a）未处理的剑麻纤维（b）碱处理后的剑麻纤维

3.2复合材料的动态热机械性能的分析

（a）储能模量（b）阻尼因子

储能模量反映的是材料形变过程中由于弹性形变而储存的能量，是材料粘弹性中的弹性成分，表征材料的刚度[15]。图4为不同浓度的氢氧化钠处理对复合材料动态热机械性能的影响。由图4 (a)可知，储能模量(E’)的关系为：碱处理的LSF/PP＞未处理的LSF/PP＞PP，由此可说明剑麻连续长纤的加入对PP有很好的增强效果，提高了材料的刚性。碱处理浓度对复合材料的储能模量有一定的影响，在6%的碱处理浓度下，LSF/PP的储能模量最大，材料的刚度最大，这是由于碱浓度太低，纤维表面的结构变化不明显，半纤维素、果胶、木质素的含量也变化不大，纤维与基体浸润的有效接触面积并没有增大；而碱浓度过高，NaOH的强氧化性使剑麻纤维结构遭到破坏，使纤维收到损伤，所以不利于LSF/PP复合材料力学性能的提高。

由图4(b)可知，纯PP的玻璃化温度(Tg)比LSF/PP复合材料中PP相的高，这可能是LSF在复合材料中起到了成核剂的作用，加快了PP相的结晶速率，有利于无定形区PP链段的运动，因而表现出更低的Tg值[16]。另外，由图４可知PP的tanδ最大，未处理的LSF/PP其次，碱处理后的LSF/PP的阻尼因子最小，说明剑麻连续长纤的加入，有利于PP基体应力的吸收与传递，碱处理改善了复合材料中LSF与PP基体之间的界面，有利于应力的传递。另外，与未经表面处理的复合材料相比，经碱处理和硅烷处理后的复合材料的Tg均移向高温，tanδ峰值降低。表明经表面处理后的复合材料的内耗更小，在交变应力作用下，处理后的复合材料比未处理的材料的应变更跟得上应力的变化，高分子链段运动受到的内摩擦力更小，说明纤维与基体之间的应力传递更好，表明表面处理提高了纤维-基体的界面黏结性。

为了对比剑麻连续长纤/PP复合材料和纯PP的松弛过程，本文研究了不同温度下碱处理浓度为6%时复合材料的储能模量与纯PP储能模量的差量的变化，如图5所示。从图5可以看出，对比粘弹态区的△E，玻璃化温度以下的玻璃态区的△E明显要大很多，由于储能模量曲线下降的幅度决定了松弛过程中的强度（综合模量）[17]，表明LSF/PP复合材料比纯PP更容易松弛。这是因为加入了剑麻纤维降低了聚丙烯的玻璃化温度，使分子间的相互影响变小，高分子链段运动的活动性加强，分子链更容易发生滑移，内应力消除得更快，松弛过程中的强度升高。

图5　不同温度下LSF/PP复合材料的储能模量与PP的储能模量的差值的变化

图6　碱处理浓度对LSF/PP复合材料拉伸性能的影响

3.3碱处理浓度对复合材料的拉伸性能的影响

图6为碱处理浓度对LSF/PP复合材料拉伸性能的影响。由图6可知，LSF/PP复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均随着碱浓度的增加而增加，在NaOH浓度为2%时达到最大，之后随着NaOH浓度的增加成下降趋势。这是由于LSF经碱处理后，LSF表面的杂质被除去，减少了木质素和果胶的含量，使剑麻纤维微旋转角减小，分子取向提高，纤维表面变得粗糙，纤维的密度降低，纤维变得松散，增加了纤维与基体浸润的有效接触面积，纤维与基体树脂界面之间粘合能力增强，从而改善了剑麻长纤与基体之间的相容性，使剑麻长纤增强聚丙烯复合材料的拉伸强度增大。随着碱处理浓度的增大，NaOH的强氧化性使得剑麻纤维的结构受到破坏，因而使剑麻长纤增强聚丙烯复合材料的拉伸强度和伸长率有所降低。

3.4碱处理浓度对复合材料的弯曲性能的影响

图7为氢氧化钠浓度对LSF/PP复合材料弯曲性能的影响。由图7可知，NaOH浓度为6%左右时，处理后的LSF/PP复合材料的弯曲强度最大，分别比纯聚丙烯材料的弯曲强度和弯曲模量提高了73.1%和305.1%。而后随着碱浓度变大拉伸强度和弯曲强度呈现下降趋势。弯曲强度反应材料刚性的大小，说明经浓度为6%碱处理后的LSF/PP复合材料刚性最大，这一结果与前面的DMA测试对应，表明碱处理有效地提高了纤维与树脂的界面，使复合材料的力学性能得到了提高。

图7　碱处理浓度对LSF/PP复合材料弯曲性能的影响

4　结论

本文通过把剑麻工艺纤维连续起来，得到了用剑麻连续长纤维与PP混纺织成的织物，通过模压工艺制备了剑麻连续长纤增强聚丙烯复合材料。由DMA测试可知，连续剑麻长纤的加入有效地提高了聚丙烯材料的储能模量，以及由储能模量曲线下降的幅度可知，LSF/PP复合材料比纯PP更容易松弛。而拉伸性能和弯曲性能测试表明当碱处理浓度为6%时，LSF/PP复合材料的弯曲强度和弯曲模量最大，分别比纯聚丙烯材料的拉伸强度和弯曲强度提高了32.5%和73.1%。另外，未处理和碱处理的剑麻纤维通过SEM分析可知碱处理使剑麻纤维表面变得粗糙，出现了明显的沟壑，纤维表面粘附了部分胶质，该结构在制备复合材料过程中有利于改善纤维-树脂之间的界面。由拉伸性能和弯曲性能测试可知，碱处理浓度为6%时弯曲强度最大，断裂伸长率较小；碱处理浓度为2%时断裂伸长率最大，弯曲强度最小。

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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

*通讯作者：易长海（1968-），男，教授，研究方向：纤维材料纹性及其功能化应用.