徐貴海，任子龍，賈瑞婷，王春紅，曹文靜，王 瑩

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

徐貴海，任子龍，賈瑞婷，王春紅，曹文靜，王 瑩

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

采用堿+偶聯(lián)劑復(fù)合處理對(duì)苧麻、黃麻織物進(jìn)行表面改性，采用模壓工藝制備了苧麻織物、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，探究了樹脂體積分?jǐn)?shù)(體積含量)、堿和偶聯(lián)劑處理以及不同纖維對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并用 SEM 研究了纖維與環(huán)氧樹脂之間界面結(jié)合狀況。結(jié)果表明：樹脂體積分?jǐn)?shù)在60%以下時(shí)，隨著樹脂體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能呈上升趨勢；堿和偶聯(lián)劑處理的苧麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量值比未處理的分別提高了9.13%和31.6%；苧麻織物復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量優(yōu)于黃麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料。SEM結(jié)果表明，經(jīng)堿和偶聯(lián)劑處理后，復(fù)合材料中纖維與樹脂的界面結(jié)合得到改善。

苧麻織物；黃麻織物；天然纖維；環(huán)氧樹脂；表面改性；力學(xué)性能

1 引 言

步入21世紀(jì)，環(huán)境問題、能源短缺問題的解決成為一切工作的重中之重，如何合理利用能源，解決能源短缺、建設(shè)友好型可持續(xù)發(fā)展社會(huì)已經(jīng)成為當(dāng)前我們必須面對(duì)與解決的問題。因此，開發(fā)可再生環(huán)保型材料已越來越受大家的關(guān)注。

天然纖維資源豐富，價(jià)格低廉，長徑比大，比強(qiáng)度高，比表面積大，密度低，可再生，可以彌補(bǔ)塑料的一些缺點(diǎn)，也可替代木材[1]。麻纖維高強(qiáng)低伸的特點(diǎn)非常適合作復(fù)合材料的增強(qiáng)體。此外，我國麻纖維資源豐富，其中苧麻產(chǎn)量居世界第一位，亞麻產(chǎn)量居世界第二位，黃麻產(chǎn)量居第三位[2-8]，因此麻纖維在復(fù)合材料中的開發(fā)應(yīng)用意義重大。但麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備中還存在一些問題，麻纖維的主要成分為纖維素，分子鏈上含有親水的羥基，與疏水性樹脂的相容性較差，導(dǎo)致兩者界面相容性較差，復(fù)合材料力學(xué)性能低。

本研究以苧麻、黃麻織物為增強(qiáng)體，以環(huán)氧樹脂為基體，采用堿+偶聯(lián)劑復(fù)合處理對(duì)織物表面進(jìn)行了改性處理，探討了樹脂體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響以及堿+偶聯(lián)劑復(fù)合處理苧麻織物對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響，并對(duì)比了苧麻、黃麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

苧麻織物：經(jīng)密240根/10 cm，緯密240根/10 cm，單位面積質(zhì)量120 g/m2，湖南華升洞庭麻業(yè)有限公司；

黃麻織物：經(jīng)密39根/10 cm，緯密38根/10 cm，單位面積質(zhì)量240 g/m2，安吉縣昆銅路西興源麻織廠；

環(huán)氧樹脂：YJ-80型，惠柏新材料科技(上海)有限公司；

丙酮：分析純，天津市化學(xué)試劑一廠；

脫模劑：北京克拉斯化工技術(shù)有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑：KH550型，南京翔飛硅烷偶聯(lián)劑合成廠；

NaOH顆粒：天津市風(fēng)船化學(xué)科技有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9070A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

Instron萬能強(qiáng)力機(jī)：3369型，美國英斯特朗公司；

天平：JA3003型，上海恒平有限公司；

液壓機(jī)：Y/TD71 -45A型，天津液壓機(jī)廠；

掃描電鏡：TM-1000型，日本日立集團(tuán)。

2.3 試樣制備

(1)苧麻、黃麻織物表面改性

堿處理：織物與堿液質(zhì)量比1∶20，堿液濃度為1wt%，在100℃下處理40 min，每10 min攪拌一次，堿處理完畢后用溫水將織物洗滌至中性，并在80℃烘箱中烘干待用。

偶聯(lián)劑處理：織物與偶聯(lián)劑溶液質(zhì)量比1∶20，偶聯(lián)劑濃度為3wt%，處理溫度為常溫，時(shí)間為2 h，處理后將織物取出并在80℃的烘箱中烘干待用。

(2)復(fù)合材料的制備

采用模壓成型工藝在液壓機(jī)上制備苧麻、黃麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，苧麻織物與環(huán)氧樹脂的體積比分別為70∶30、60∶40、50∶50和40∶60，將樹脂溶于丙酮中，樹脂與丙酮質(zhì)量比為3∶7，然后將樹脂膠液均勻涂在苧麻織物上，制備預(yù)浸料。待丙酮完全揮發(fā)后，預(yù)浸料裁剪、疊層。先將預(yù)浸料在10 MPa壓強(qiáng)下室溫壓制10 min，使織物與樹脂浸透均勻；隨后將預(yù)浸料在3 MPa、130℃條件下壓制3 min，卸壓1 min，再在3 MPa，130℃下壓制3 min，卸壓，最后在15 MPa、130℃下壓制2 h，冷卻至室溫后取出。

黃麻織物與環(huán)氧樹脂的體積比為40∶60，模壓工藝與上述苧麻增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝相同。

2.4 復(fù)合材料性能測試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM 790_03測試復(fù)合材料拉伸性能，樣品尺寸：長×寬×厚為150 mm×20 mm×2 mm，隔距為80 mm，加載速度為2 mm/min。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ASTM D3039/D3039M-00測試復(fù)合材料彎曲性能，試樣尺寸為60 mm×12.5 mm×2 mm，跨距為32 mm，加載速度為2 mm/min。

用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料中纖維與樹脂的結(jié)合情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 樹脂體積分?jǐn)?shù)對(duì)苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1為不同樹脂體積分?jǐn)?shù)的苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能，由圖1中可以看出，隨著環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能基本上呈逐漸上升趨勢，當(dāng)樹脂體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能達(dá)到最大值。原因在于當(dāng)復(fù)合材料體系中樹脂體積分?jǐn)?shù)較少時(shí)，織物與樹脂之間的結(jié)合較差，當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，無法很好地利用樹脂來傳遞載荷[9]，樹脂起不到基體應(yīng)有的作用，而隨著樹脂體積分?jǐn)?shù)的增加，樹脂與織物之間的浸潤性越來越好，界面結(jié)合得到改善，通過樹脂來傳遞載荷的能力越來越強(qiáng)，作為增強(qiáng)體的苧麻織物也能很好地起到增強(qiáng)作用，從而復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提升。

3.2 改性處理對(duì)苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能的影響

圖2為苧麻織物經(jīng)過1%堿+3%偶聯(lián)劑處理后，對(duì)苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲性能的影響(苧麻織物與環(huán)氧樹脂的體積比為40∶60)，由圖2看出，經(jīng)過堿+偶聯(lián)劑復(fù)合處理的苧麻/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量值比未處理的分別提高了9.13%和31.6%，達(dá)到了152.00 MPa、9.87 GPa。

圖1 樹脂體積分?jǐn)?shù)對(duì)苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖2 1%堿+3%偶聯(lián)劑處理苧麻織物對(duì)苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能的影響

堿處理后，纖維表面變得光潔，直徑減小，長徑比增加，纖維的取向度提高，從而提高纖維的強(qiáng)度[10]。堿處理時(shí)，纖維素表面的一些羥基會(huì)與堿溶液發(fā)生反應(yīng)，使苧麻纖維表面的羥基數(shù)目有所減少，從而降低了苧麻纖維的表面極性，疏水性提高，減少了苧麻布與環(huán)氧樹脂間的極性差異，增加了兩相間的相容性和黏結(jié)強(qiáng)度。而硅烷偶聯(lián)劑在水環(huán)境中水解成硅醇，促使環(huán)氧樹脂表面硅醇和苧麻纖維表面的羥基之間會(huì)形成氫鍵，氫鍵之間在一定溫度下會(huì)脫水發(fā)生醚化反應(yīng)，使苧麻纖維表面羥基數(shù)量減少，纖維表面的極性降低，并與環(huán)氧樹脂之間形成了共價(jià)鍵，這樣苧麻纖維與環(huán)氧樹脂的相容性提高了，外力作用時(shí)，環(huán)氧樹脂承受的力能夠轉(zhuǎn)移到苧麻纖維上，從而提高了苧麻織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能[11-13]。

3.3 苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能對(duì)比

圖3為苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

圖3 苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲性能對(duì)比

彎曲性能的對(duì)比(苧麻、黃麻織物均經(jīng)過1%堿+3%偶聯(lián)劑復(fù)合處理，織物與環(huán)氧樹脂的體積比均為40∶60)，由圖3可以看出，苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲性能優(yōu)于黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別大185.3%和101.2%。原因在于黃麻纖維的抱合力比苧麻纖維的差很多，因此，黃麻紗線的紗支要小于苧麻紗線，這就造成了黃麻纖維與環(huán)氧樹脂的浸潤比苧麻的差，黃麻纖維與樹脂的界面結(jié)合差。同時(shí)黃麻織物的經(jīng)緯密小于苧麻織物，導(dǎo)致復(fù)合材料中存在大量的孔洞，當(dāng)復(fù)合材料收到外力作用時(shí)，這些孔洞作為弱點(diǎn)影響材料的承力能力。而且苧麻纖維的纖維素含量大于黃麻纖維，所以苧麻纖維的力學(xué)性能優(yōu)于黃麻纖維，因此，苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于黃麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料。

3.4 苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料微觀形貌

圖3為苧麻、苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲斷面SEM照片。從圖3(a)可以看出，未處理的苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料彎曲斷口處纖維之間的結(jié)合較松散，纖維從樹脂中被抽拔出的長度較長，可以明顯看到苧麻纖維從樹脂基體中抽拔出來的孔洞，且基體的連續(xù)性遭到破壞，分層現(xiàn)象嚴(yán)重，說明未經(jīng)任何改性處理的苧麻纖維與樹脂之間的黏結(jié)力較低，界面性能較差。而如圖3(b)所示，1wt%堿-3wt%偶聯(lián)劑處理苧麻織物/環(huán)氧樹脂斷口處纖維之間的結(jié)合較未處理的更為緊密，苧麻纖維與樹脂的浸潤性得到了改善，苧麻纖維周圍環(huán)氧樹脂包裹較均勻且光滑，材料有脆性斷裂部分。纖維從樹脂中被抽拔出的長度較短，纖維的斷面平滑，基體的連續(xù)性較好，分層現(xiàn)象較不明顯，說明1wt%堿-3wt%偶聯(lián)劑處理后苧麻纖維與樹脂之間的界面結(jié)合性能得以提高。從圖3(c)中可以看出，黃麻織物出現(xiàn)了嚴(yán)重的分層，較粗的黃麻紗線導(dǎo)致樹脂對(duì)纖維的浸潤性差，導(dǎo)致黃麻纖維和樹脂的結(jié)合性較差，力學(xué)性能低。

4 結(jié) 語

(1)隨著環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能基本呈逐漸上升趨勢，當(dāng)樹脂體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能達(dá)到最大值，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量分別為110.24 MPa、8.52 GPa、139.27 MPa、7.50 GPa。

圖4 苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂斷裂界面SEM電鏡圖

(2)堿+偶聯(lián)劑復(fù)合處理可以明顯提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，經(jīng)過1%堿+3%偶聯(lián)劑處理的苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(苧麻織物與環(huán)氧樹脂的體積比為40∶60)的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量值比未處理的分別提高了9.13%和31.6%。

(3)苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲性能優(yōu)于黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別大185.3%和101.2%。

(4)SEM結(jié)果表明：堿+偶聯(lián)劑復(fù)合處理后，苧麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中纖維與樹脂之間的界面結(jié)合得到改善。

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Research on Mechanical Propertiesof Ramie Fabrics and Jute Fabrics Reinforced Epoxy Resin

XU Guihai,REN Zilong,JIA Ruiting,WANG Chunhong,CAO Wenjing,WANG Ying

(School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin, China, 300387)

The surface of ramie fabrics and jute fabrics were modified by alkali-silane treatment. Then ramie fabrics and jute fabrics reinforced epoxy resin were prepared by means of compression molding technology. The effects of the resin content, alkali-coupling agent treatment and different fibers on the mechanical properties of composites were studied. SEM was used to describe the interface bonding condition between fibers and epoxy resin. The results reveal that when the resin content is lower than 60%, the mechanical properties of composites increased with increase of the resin content. Alkali- silane treatment improves the flexural strength and modulus by 9.13%、31.6%. The flexural strength and modulus of ramie fabrics composite material is better than jute fabrics reinforced composites. The results of SEM show that a better interface adhesion occurs between the fiber and epoxy resin after surface modification.

ramie fabric; jute fabric; natural fiber; epoxy resin; surface modification; mechanical properties

高雙勝(1974-)，男，黑龍江人，博士，講師。主要研究方向：材料無損檢測與性能表征技術(shù)。 E-mail: gaoshsh@163.com.

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410058081)，天津工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(20140108)

2014-12-24)