楊 芳，于淑娟，朱永飛，龐錦英

（廣西師范學院化學與材料科學學院，廣西 南寧 530001）

劍麻纖維/聚合物復合材料研究進展

楊 芳，于淑娟，朱永飛，龐錦英

（廣西師范學院化學與材料科學學院，廣西 南寧 530001）

主要概述了劍麻纖維(SF)的表面處理方法、SF增強熱塑性聚合物及熱固性聚合物復合材料的結(jié)構(gòu)及性能，指出了SF增強聚合物復合材料今后的研究與發(fā)展方向。

劍麻纖維；聚合物；復合材料；表面處理；增強

劍麻（Sisal hemp）又名菠蘿麻，屬龍舌蘭科，是一種廣泛種植的多年生麻類經(jīng)濟植物[1]，原產(chǎn)中美洲，現(xiàn)主要在非洲、拉丁美洲、亞洲等地種植，我國劍麻主要分布在廣東、廣西、海南和福建等地。劍麻纖維(Sisal Fiber，SF)取自劍麻作物的葉片，其化學組成以纖維素(50%～65%)、木質(zhì)素(8%～10%)、半纖維素(12%～20%)為主。劍麻纖維纖絲長(1.0～1.4m)，色澤潔白，耐海水腐蝕，質(zhì)地堅韌，密度小，拉伸強度和模量高，來源廣泛，價格低廉[2-3]，因此，SF用于制備輕質(zhì)、高強高模、價廉的纖維增強聚合物基復合材料具有明顯優(yōu)勢，并已引起各國學者的廣泛關(guān)注和競相研究。本文主要對近5年來SF的表面處理方法及其對不同聚合物基體的改性進行了總結(jié)。

1 SF的表面處理方法

SF由于含有大量的羥基而呈現(xiàn)親水性，而大部分聚合物是親油的，從而導致SF/聚合物復合材料界面粘合性差，最終影響復合材料的整體性能。此外，SF還存在結(jié)構(gòu)不均勻和尺寸穩(wěn)定性差的缺陷[4]。因此，對SF進行表面改性，可改善劍麻與聚合物基體的相容性，提高復合材料的性能。目前，SF的表面處理方法主要可分為2大類:物理處理方法和化學處理方法，其目的都在于改善SF增強體與聚合物基體之間的親和力。

1.1 SF的物理處理方法

物理方法不改變纖維的化學成分，通過改變纖維表面形貌和結(jié)構(gòu)特性來改善纖維與基體的相容性，主要包括熱處理法、蒸汽爆破處理法等。

李向麗[5]采用真空干燥箱對SF進行熱處理，制備了SF含量為50%的SF/聚乳酸（PLA）全降解環(huán)保型復合材料?？疾炝苏婵諚l件下熱處理溫度與時間對SF組成、結(jié)構(gòu)及復合材料性能的影響，并通過紅外光譜(FTIR)和掃描電鏡(SEM)分析其作用機理。結(jié)果表明，對SF進行熱處理能使其半纖維素降解，有利于降低纖維的親水性，使纖維表面自由能降低，改善了纖維與PLA基體的界面結(jié)合力，且適宜的熱處理溫度、熱處理時間有利于復合材料力學性能的提高。

蒸汽爆破能使劍麻纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維變細變小，表面裂紋增多，增大比表面積，提高劍麻纖維的化學反應性[6-7]。李展洪[8]采用蒸汽爆破預處理劍麻纖維(SESF)作為增強體，通過模壓成型制備聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/SESF復合材料，研究了SESF含量對復合材料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨SESF含量增加，復合材料的拉伸強度呈先增大后減小趨勢，而彎曲強度和彎曲模量均提高。當SESF含量為30%時，SESF與PBS基體材料界面結(jié)合比較緊密，復合材料的拉伸強度達到最大值，比純PBS提高了15.5 %，而彎曲強度比純PBS提高了132.5%。但復合材料的斷裂伸長率和沖擊強度均隨SESF含量的增加而降低。

此外，在SF與聚合物復合的時候，施以特殊的剪切力場或拉伸力場，也可達到改善纖維與聚合物基體界面相容性的目的。韓宋佳[9]采用動態(tài)保壓注塑成型技術(shù)( DPIM)，在加工過程中施加往復的剪切應力，使纖維分散得更加均勻，并在聚丙烯(PP)基體中形成取向結(jié)構(gòu)，改善纖維與基體的界面相互作用，從而制備出拉伸強度與沖擊強度都明顯高于傳統(tǒng)工藝制備的復合材料。當SF質(zhì)量分數(shù)為20%時，動態(tài)樣品拉伸強度由53 MPa提高至64 MPa，提高了21%，提高幅度明顯大于靜態(tài)樣品提高幅度。

1.2 SF的化學處理方法

化學處理可以改變SF化學極性和組成，或在其表面引入新的官能團，增加纖維與基體的親和性，改善界面性能，并最終提高復合材料的性能。方法主要有堿液處理、KMnO4處理、化學偶聯(lián)處理、乙?；约巴榛幚淼?。

劉婷[10]采用不同堿處理濃度、處理時間對SF進行表面改性，制備SF/PP復合材料。研究了堿處理方法、含量對SF/PP復合材料力學性能的影響。結(jié)果表明，堿處理使SF表面變得粗糙，有效提高了SF與PP樹脂的相容性，從而提高復合材料的力學性能。在堿濃度為10%、處理4h、SF含量為20%時，復合材料的沖擊強度為15.78 kJ·m-2，達到最大值，而彎曲強度和彎曲模量隨著SF含量的增加而增大。

Caroline Pigatto[11]首先采用堿液NaOH預處理SF，再經(jīng)熔融共混制備PP/EPDM/SF復合材料，發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH處理后的SF與基體PP、EPDM的相容性較好，可大幅提高復合材料的楊氏模量、拉伸強度及彎曲強度。

劉崢[12]為改善SF與聚合物基體的相容性，采用過硫酸銨作為引發(fā)劑，制備了丙烯酸稀土接枝SF，并利用FTIR、SEM、X射線粉末衍射儀（XRD）觀察其結(jié)構(gòu)，證明丙烯酸稀土已成功接枝到SF表面上。熱分析表明接枝SF的熱穩(wěn)定性、吸油性能均優(yōu)于未接枝SF。

Zou Hantao[13]分別對SF表面進行乙?；⒐柰榛?、高錳酸鉀化及絲光處理，再經(jīng)熔融復合制備改性SF增強PLA生物降解復合材料。發(fā)現(xiàn)SF經(jīng)表面處理后可改善其與PLA基體的粘結(jié)性能，使復合材料的力學性能提高。其中，經(jīng)乙?；幚淼腟F/PLA復合材料具有最大的拉伸強度、沖擊強度、耐水性及最小的降解率。

李肖建[14]通過對SF進行預處理、堿處理、酸解等，從SF中成功提取了劍麻纖維素微晶，并對產(chǎn)物進行了表征。FTIR分析表明，所制備的劍麻纖維素微晶的主要成分為纖維素；而XRD、POM 和SEM結(jié)果表明，劍麻纖維素微晶以纖維素Ⅰ的形式存在，具有一定的長徑比，長度尺寸在50～150μm之間，直徑約為10μm；熱分析表明制得微晶的結(jié)晶度為61.11%，熔融溫度為323.7℃，初始分解溫度達337℃，比SF要高60 ℃。

2 SF增強不同基體復合材料

聚合物基體是纖維增強復合材料的重要組成部分，按聚合物基體的不同，SF增強復合材料可分為SF增強熱塑性聚合物和SF增強熱固性聚合物。

2.1 SF增強熱塑性聚合物

SF增強熱塑性聚合物的基體主要包括PP、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等。

Sulawan Kaewkuk[15]制備了SF質(zhì)量含量分別為10%、20%、30%的SF/PP復合材料，考察了復合材料的力學性能、熱性能、形態(tài)及吸水性，同時比較了纖維的不同處理方法（堿液處理、熱處理）和添加相容劑（馬來酸酐接枝PP、MAPP）對復合材料性能的影響。纖維經(jīng)堿液處理、熱處理或添加相容劑均可提高復合體系的力學性能、分解溫度及親油性。SEM觀察可看出，纖維經(jīng)表面改性后或添加相容劑可提高其與基體PP的界面粘結(jié)性。其中，添加相容劑MAPP對于復合材料的增強效果最明顯。隨SF含量增加，SF/PP復合體系的拉伸強度、模量及吸水性增加，沖擊強度和斷裂伸長率降低。

Zhao Xuefeng[16]考察了纖維含量、界面相容劑對SF增強高密度聚乙烯（HDPE）復合材料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加SF和相容劑（馬來酸酐接枝HDPE、MAPE）的含量，可提高復合材料的力學性能。

何和智[17]采用蒸汽爆破原位改性技術(shù)使石墨較好地包覆于SF表面，制備了劍麻/石墨/PVC復合的一種低成本屏蔽材料，并研究了該材料的屏蔽性能和力學性能。結(jié)果表明，通過石墨對SF包覆改性，提高了復合材料的屏蔽效能。當改性劍麻含量大于10%時，隨其含量增加，復合材料的拉伸和彎曲性能均提高，而改性SF含量對材料沖擊性能影響不大。

方偉[18]通過熔融共混工藝制備SF和低密度聚乙烯(LDPE)共同改性的聚甲醛（POM）復合材料，考察其摩擦磨損性能。結(jié)果表明，添加適量的LDPE能顯著降低POM的摩擦因數(shù)和磨損率；在LDPE量一定的情況下，POM/LDPE/SF復合材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨SF質(zhì)量分數(shù)的增加呈先增大后減小再增大的趨勢。當SF質(zhì)量分數(shù)為5%時，復合材料摩擦磨損性能優(yōu)異，其穩(wěn)定摩擦因數(shù)為0.16，磨損率為1.61×10-6mm3·(N·m)-1。通過SEM觀察材料磨損表面形貌可知，純POM主要以黏著磨損為主，填充LDPE和SF后，復合材料的磨損機制主要是疲勞磨損，并伴隨轉(zhuǎn)移膜的剝落。

2.2 SF增強熱固性聚合物

目前SF增強熱固性聚合物主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯等。

M.K. Gupta[19]利用手糊成型制備了SF質(zhì)量含量分別為15%、20%、25%、30%的SF增強環(huán)氧樹脂，并研究了復合材料的拉伸和彎曲性能。發(fā)現(xiàn)SF延鋪墊方向呈單軸取向，在纖維含量為30%時，復合材料的拉伸和彎曲強度達到最大，說明纖維的單軸取向可提高材料的力學性能。

趙立波[20]采用堿液、高錳酸鉀及熱處理分別對劍麻纖維布進行表面處理，并用真空輔助樹脂傳遞模塑成型(VARTM)工藝制備了劍麻纖維布增強不飽和聚酯復合材料。研究了不同劍麻纖維布表面處理方法對其不飽和聚酯樹脂復合材料力學性能及吸水性的影響。結(jié)果表明，經(jīng)堿液、高錳酸鉀和熱處理后，劍麻纖維布增強復合材料的界面性能得到改善，從而較大改善其力學性能及吸水性，拉伸強度分別提高26.5%、25.4%和14.1%，彎曲強度分別提高16.5%、8.6%和7%，沖擊強度分別提高22.6%、16.2%、4.1%。經(jīng)NaOH處理的復合材料的吸水率降低了47.5%，KMnO4處理可以大大縮短吸水達到平衡的時間。

曾銘[21]采用堿、硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)對SF進行表面處理，以納米SiO2改性的酚醛樹脂(PF)作為基體樹脂，制備SF/酚醛樹脂復合材料，研究納米SiO2的加入及SF處理方式對SF/PF復合材料動態(tài)力學、蠕變、應力松弛性和熱性能的影響。結(jié)果表明，納米SiO2的加入，使納米復合材料的儲能模量達到4783MPa，提高了46.8%；SF經(jīng)過堿和硅烷偶聯(lián)處理后，明顯提高了SF與PF之間的界面粘接性，改善了SF/納米PF復合材料的動態(tài)力學性能、蠕變和應力松弛性能。納米SiO2的加入及對SF改性均能顯著提高SF/PF 復合材料的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

SF作為一種天然植物纖維，不僅環(huán)境友好、可再生可降解，而且質(zhì)輕、比強度高、價格低廉，可降低復合材料的成本。因此大力發(fā)展劍麻等植物纖維增強聚合物基復合材料及其制品的應用研究，對于充分利用我國豐富的資源優(yōu)勢，改造傳統(tǒng)的工農(nóng)業(yè)，發(fā)現(xiàn)新材料新技術(shù)具有重要意義。目前關(guān)鍵在于尋求更簡單、更高效、更安全的SF表面處理方法，解決其與不同聚合物復合時的相容性問題，以盡可能提高復合材料的綜合性能，實現(xiàn)SF增強聚合物復合材料在軍事和民用各個領(lǐng)域的廣泛應用。

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Research Progress of Sisal Fiber/Polymer Composites

YANG Fang，YU Shu-juan，ZHU Yong-fei，PANG Jin-ying
(College of Chemistry and Material Science, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

The methods of surface treatment for sisal f ber were introduced. The structure and performance of sisal f ber reinforced thermoplastic and thermosetting polymer were reviewed. The developing trend of sisal f ber reinforced composites was pointed out.

sisal f ber; polymer; composite; surface treatment; reinforce

TB 334

A

1671-9905(2015)04-0028-04

廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019300）；廣西高校重點實驗室合成與天然功能分子化學（廣西師范學院）開放課題

楊芳（1982-），女，碩士，講師，主要從事聚合物復合材料的研究；電話:0771-3908065，15878177193，E-mail: fangzhi2913@163.com

2015-02-12