苘麻/聚乙烯复合材料性能的研究

唐伟 张晨夕 王伟宏 郭丽敏

摘要 我国的麻类资源非常丰富，将麻纤维用于复合材料的制备能扩大麻纤维的应用范围，有效提高麻纤维的使用价值。将苘麻纤维（AF）作为增强材料，通过热压工艺制备了苘麻/聚乙烯（PE）复合材，并探讨了该复合材的各项性能。通过热重分析确定了苘麻纤维的加工温度为180 ℃，对比分析AF/PE复合材的力学性能，确定制备复合材时AF含量控制在60%范围内能得到性能优异的复合材，AF与PE的最佳质量比为55∶45。苘麻纤维经硅烷偶联剂处理后，AF/ PE复合材的弯曲性能和拉伸性能都有明显提高，吸水厚度膨胀率明显降低。由红外光谱分析发现，硅烷偶联剂与苘麻纤维表面的羟基发生化学反应生成了硅-氧-碳共价键，硅烷偶联剂使麻纤维表层与PE基质层之间产生分子结合，因此提高了PE基质与苘麻纤维的结合强度。

关键词 苘麻纤维；聚乙烯；复合材料；性能；硅烷偶联剂

中图分类号 S563 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）27-09509-04

Study on the Properties of Abutilon theophrasti Fiber/Polyethylene Composites

TANG Wei， ZHANG Chenxi， WANG Weihong* et al

（Key Lab of Biomass Material Science and Technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract There are very abundant resources of bast fiber in China. Introducing AF to composite area can enlarge its application and increase its economic value. In this paper， AF was used to reinforce polyethylene （PE） to produce AF/PE composites by hotpressing process， and explored various properties of this composites. Hot pressing temperature for producing the composite was finally determined at 180 ℃ by Thermogravimetric analysis. By analysing AF/ PE composites mechanical properties and microstructure， these conclusions were obtained： the composite presented good properties when AF content was limited within 60% in the composites； the best performance was obtained when the content of AF was 55%. When AF was treated with silane coupling agent， the bending property and tensile property of the AF/PE composites were improved obviously， thickness swelling caused by water absorption were decreased obviously. Based on FTIR spectra we know that silane coupling agent could react with the hydroxyl groups on the surface of AF and improve the compatibility between the AF and PE.

Key words Abutilon theophrasti fiber； Polyethylene； Composite； Property； Silane coupling agent

我国是一个农业大国，有超过100种麻类产品的种植，形成了南有剑麻、北有亚麻、东有大麻、西有罗布麻、中有苎麻、大部分地区有苘麻、洋麻、黄麻的格局^[1]。麻的韧皮纤维、茎秆、麻子都是用途广泛的生物质资源，综合高效地利用这些麻类可以实现农作物产品产值的最大化。

麻纤维具有较大的长径比以及较高的强度和模量，经常被用在复合材料中用作天然增强材料^[2-3]。为了得到能应用于实际的高性能的麻纤维/热塑性树脂复合材料，国内外学者做了大量研究。用不同添加量的亚麻、苎麻、黄麻、剑麻、洋麻及漂白亚麻纤维增强聚丙烯树脂，能够得到可与玻璃钢材料性能相媲美的复合材料^[4-9]；麻纤维的不同填充形式也对复合材性能产生影响^[10-13]，把亚麻纤维编织成麻布再增强PP树脂能有效提高复合材料的静曲强度和硬度；增强麻纤维本体的强度直接影响到复合材的强度，碱处理能使黄麻纤维结构收缩，增加纤维的结晶区比例和聚合度，提高纤维的强度和硬度。因此，把处理后的黄麻纤维加入树脂中，能很好地提高复合材的强度^[14-15]。通过改善麻纤维与基体之间的界面相容性来制得高性能复合材一直是麻纤维研究的热点^[16-17]。剑麻表面处理或甲基丙烯酸甲酯接枝聚合改性能有效地改善剑麻与PP的界面相容性，提高复合材料的热稳定性、韧性和各项力学性能，降低复合材料的吸水率^[18-23]；对洋麻表面进行碱处理、偶联剂处理和碱-偶联剂处理后，制得的聚丙烯基复合材的弯曲强度、弯曲弹性模量和层间剪切强度均得到提高，碱-偶联剂双重处理使复合材料弯曲性能、弯曲弹性模量和层间剪切强度提高了26%、18%和572%^[24]。在黄麻/PP复合材料制备时，加入一定量的马来酸酐接枝聚丙烯可使复合材力学性能明显提高^[25-26]。

除上述的亚麻、黄麻、洋麻外，我国苘麻产量巨大，居世界第1位，除青藏高原外，其他各省区均有种植。但是，苘麻纤维中木质素含量高达16.4%，限制了其在纺织领域的应用^[27]。苘麻主要用于制备麻绳、麻袋及其他形式的包装材料等低附加值产品，其使用价值未被重视。但苘麻纤维的粗糙、坚韧等特性却是增强各类树脂的优势。因此，该研究的目的是利用价格低廉的苘麻作为增强材料制备苘麻/聚乙烯复合材，考察麻纤维含量和偶联剂处理对复合材性能的影响，为提高苘麻的利用价值提供新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料

聚乙烯纤维（PE），采用市购PE撕裂膜，根据试验要求将其裁割成不同长度的PE纤维；苘麻（AF）以麻布（图1）的形式用来增强聚乙烯，从当地市场采购。乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂A171，分子式为CH₂=CHSi（OCH₂CH₃）₃，无色液体，有刺激性气味，购于哈尔滨市化工研究所；过氧化二异苯丙（DCP），用做引发剂，为无色或白色颗粒晶体，活性氧含量5.92%，化学纯，购于沈阳市新西化学试剂厂。

1.2 复合材料的制备

1.2.1 偶联剂对苘麻纤维布的处理。

①将无水乙醇与水配制成95%的乙醇水溶液，用冰醋酸调节pH至3，边搅拌边加入硅烷偶联剂A171，偶联剂用量为苘麻纤维布质量的4%，溶液浓度控制在5%左右，水解数小时。

②将配制好的硅烷溶液均匀喷淋到麻纤维布表面，室温晾置12 h以上，直至乙醇和醋酸完全挥发。

③将DCP溶于丙酮，用量为PE纤维的0.13%，对PE纤维进行喷淋，之后晾置24 h以上至丙酮全部挥发。

④将苘麻纤维布与PE纤维在50 ℃烘箱进行干燥处理，备用。

1.2.2 AF/PE复合材的制备。

分别对AF和PE进行热重分析，确定复合材的最佳制备温度为180 ℃。

将聚酯膜铺覆在钢板上以利于脱模，将“1.2.1”中硅烷偶联剂处理过的苘麻布或未处理的苘麻布与PE纤维按照预设质量比逐层铺装成板坯，盖上聚酯膜和钢板，放入烘箱中预热，使板芯温度达到110 ℃；之后迅速放入热压机内热压，热压温度为180 ℃，压力为5 MPa。12 min后取出，在保持压力条件下冷却定型，制成板材的尺寸为350 mm×350 mm×6 mm。AF和PE质量比分别为50∶50、55∶45、60∶40、65∶35、70∶30、75∶25。

1.3 性能检测

1.3.1 力学性能测试。

抗弯性能：按照ASTM D79003塑料弯曲试验标准制备试件，尺寸为120 mm×24 mm×6 mm，跨距为96 mm，每组重复试验8个。

拉伸性能：按照ASTM D63803塑料拉伸试验标准制备试件，长度为165 mm，两端宽度为19 mm，中间测试部分宽度为13 mm，试样厚度为6 mm，标距为50 mm，每组重复试验6个。

抗冲击性能：按照GB/T 16420-1996国家冲击试验标准制备试件，尺寸为80 mm×10 mm×6 mm，跨距为60 mm，每组重复试验10个。

1.3.2 吸水厚度膨胀率测试。

按照GB/T 17657-1999人造板及饰面人造板理化性能试验方法进行测试，试件尺寸为50 mm×50 mm×6 mm，每组至少测试6个试件。水温度为20 ℃，完成浸泡后，擦去表面附着水，在原测量点测其厚度，测量工作在30 min内完成。

试件的吸水厚度膨胀率按式（1）计算。

T=（h₂-h₁）/h₁×100 （1）

式中，T为吸水厚度膨胀率（%）；

h₁为浸水前试件厚度（mm）；

h₂为浸水后试件厚度（mm）。

1.3.3 红外吸收光谱（FTIR）分析。利用MagnaIR 560 E.S.P型傅立叶交换红外光谱仪对复合材进行红外吸收光谱分析（美国Nicolet公司生产）。采用溴化钾做稀释剂，将AF/PE复合材样品放在研钵里研磨成细小、均匀的粉末，压片成型，用于红外光谱分析，分辨率设置为4 cm-1，扫描次数为40次/min。

1.3.4 热重分析（TG）。

利用NETZSCH209 F3型热重分析仪对苘麻纤维和PE树脂进行热重分析（德国耐驰仪器公司生产）。炉膛气氛为N₂，温度范围控制为苘麻纤维30～600 ℃，PE树脂30～800 ℃；升温速度为10 ℃/min。

1.3.5 扫描电子显微镜。

用荷兰公司生产的FEI QUNGTA200型扫描电子显微镜观察复合材的微观形态。将试样放入液氮中充分冷冻，然后快速脆断，截取横断面。用导电胶将其固定在样品托上，对其表面进行喷金处理，然后在加速电压为12.5～15.0 kV条件下对复合材料断面进行观察。

2 结果与分析

2.1 热压温度的确定

AF及PE热失重微分DTG曲线如图2所示。在30～400 ℃之间时，PE纤维没有失重表现，当温度大于400 ℃以后PE开始热解，热解温度在465 ℃。苘麻纤维从起始阶段就开始少量失重，应该为水分的蒸发；从160 ℃开始逐渐明显，在275 ℃出现第一个下降小峰，应该包括分子中吸附水和结合水的脱除，以及纤维素单元中的糖苷键断裂产生的一些低分子量的挥发物质；当温度大于350 ℃，麻纤维开始逐步分解并碳化。结合聚乙烯的加工温度，以180 ℃作为复合材的热压温度时，苘麻纤维性能不会受到影响。

3 结论

对麻纤维进行热加工时，为了使麻纤维本体的各性能不受高温的影响，加工温度不宜超过180 ℃。

综合分析AF/PE复合材的抗弯性能、拉伸性能、吸水厚度膨胀率和微观形态可以得出，PE对麻纤维的包覆效果好坏接影响复合材的物理力学性能，麻纤维的含量控制在60%以下复合材各的项性能较优异；其中麻含量为55%时各项性能最佳。

采用硅烷偶联剂A171处理苘麻纤维可以进一步提高复合材的各项物理力学性能，从红外光谱图可以看出，硅烷偶联剂充当了“桥”的角色，使苘麻纤维和PE树脂在分子级上形成结合，有效地改善了苘麻与PE间的界面相容性问题。

研究证明，利用苘麻纤维可以获得性能优异的复合材料，对苘麻的利用可以拓展到更广阔的范围，提高农产品附加值。

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