郭 華，賈高鵬

（1.江蘇華躍紡織新材料科技股份有限公司，江蘇鹽城256600；2.鹽城工學(xué)院紡織服裝學(xué)院，江蘇鹽城224051)

由于環(huán)境問(wèn)題日益突出，綠色可再生已成為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展的方向[1]。一般黃麻纖維較為剛硬，通常做包裝材料、工業(yè)用布或纜繩用[2-3]。黃麻纖維具有較高的強(qiáng)度和模量所制成的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性質(zhì)和耐沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，加之黃麻纖維價(jià)格低廉、本身可降解，因此研究黃麻纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料將具有廣闊發(fā)展前景[4-5]。國(guó)際上早些年就已經(jīng)開始致力于黃麻增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的研發(fā)。最近些年，國(guó)內(nèi)也有許多與黃麻增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料研究相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。黃麻纖維和其他麻纖維一樣，纖維表面處理是制備性能良好的復(fù)合材料關(guān)鍵一步。由于黃麻纖維吸濕和放濕性能優(yōu)異，表面沒(méi)有進(jìn)行處理的黃麻纖維與PU材料之間不能夠有效結(jié)合，使得黃麻較難被聚氨酯基體的界面充分浸潤(rùn)，黃麻與PU之間粘附力不足，黃麻/聚氨酯復(fù)合泡沫材料容易出現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)下降的情況[6]。為了提高黃麻與聚氨酯（PU)之間的粘結(jié)牢度，同時(shí)提高處理效率，本文利用微波輔助[7-8]堿液（NaOH)對(duì)黃麻纖維進(jìn)行改性，并利用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行修飾，制備了黃麻纖維增強(qiáng)PU硬泡復(fù)合板材。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

黃麻，市售；硅烷偶聯(lián)劑（KH-550鼎海塑膠有限公司)；聚氨酯發(fā)泡劑（黑、白料)F-191型，市售；氫氧化鈉（分析純，阿拉丁試劑公司)；無(wú)水乙醇（分析純，阿拉丁試劑公司)，去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

MPl100B型電子精密天平（北京宇恒平科學(xué)儀器有限公司)、81.2型恒溫磁力攪拌器（南京司樂(lè)儀器有限公司)、DZF-602B型真空干燥箱（南方利輝設(shè)備)、微波爐（Midea)M1-L213B，HSGY-1000數(shù)顯式壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)儀（北京恒奧德儀器儀表有限公司)。

1.3 黃麻改性

利用微波輔助氫氧化鈉對(duì)黃麻纖維進(jìn)行改性處理[9-10]。首先預(yù)處理清洗纖維去除雜質(zhì)，烘干后備用，配置氫氧化鈉溶液（5%)。將預(yù)處理的纖維放入溶液中攪拌片刻放入有散熱排氣孔的改裝微波爐中，微波功率為700W，微波頻率為2450Hz，微波處理時(shí)間為15min。在微波輔助堿液處理過(guò)程中使纖維保持一定張力狀態(tài)。處理結(jié)束后對(duì)黃麻纖維進(jìn)行洗滌、稀酸中和以及去離子水洗滌。將纖維中殘留物質(zhì)處理干凈后，最后進(jìn)行烘干短切成不同長(zhǎng)度并打散備用。

1.4 復(fù)合材料制備

偶聯(lián)劑KH550、無(wú)水乙醇、蒸餾水按照體積比為1∶9∶1的比例制備偶聯(lián)劑混合體系，將黃麻纖維短切散纖維分別放入偶聯(lián)劑混合體系中，超聲30分鐘，在70℃的溫度下，攪拌8h，待短切纖維與偶聯(lián)劑充分作用后，進(jìn)行過(guò)濾，再用無(wú)水乙醇洗滌5次，除去殘留的偶聯(lián)劑，將偶聯(lián)劑處理的短切纖維在烘箱中低溫烘干（80℃)4h備用。

F-191型聚氨酯發(fā)泡劑包括黑料和白料，其中黑料成分為異氰酸酯，白料主要成分為聚醚多元醇、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、催化劑等。該白料和黑料為市售成品，聚氨酯發(fā)泡劑粘度較大，反應(yīng)較快，因此混合之前先利用冰水浴鍋在低溫3℃左右，將黑料和白料按體積比1∶1進(jìn)行混合，再添加黃麻短切纖維充分?jǐn)嚢瑁鶆蚍稚⒒旌?，最后將纖維與聚氨酯混合體系注入模具中在40℃左右進(jìn)行發(fā)泡，模具內(nèi)腔壓力1MPa～10MPa，發(fā)泡時(shí)間為 20min～30min，待發(fā)泡完成后，打開模具將制備的發(fā)泡板材取出。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 表面形貌對(duì)比

通常認(rèn)為增強(qiáng)材料與基體材料界面相容性的好壞是影響復(fù)合材料機(jī)械力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，黃麻增強(qiáng)相與聚氨酯基體相之間的界面如果缺乏良好的結(jié)合，會(huì)增加材料界面張力，同時(shí)界面間微孔縫隙會(huì)增加，纖維與基體之間的結(jié)合程度會(huì)降低，黃麻纖維增強(qiáng)聚氨酯（PU)發(fā)泡材料的性能會(huì)受到很大的影響。微波輔助NaOH改性處理前后的黃麻纖維的SEM照片如圖1所示。

從圖1（a)可以看出，改性前黃麻的表面相對(duì)比較光潔平滑，暗紋較少，表面的溝槽起伏平緩。從圖1（b)可以看出，利用微波輔助氫氧化鈉溶液進(jìn)行改性后，纖維表面溝槽凹凸不平程度增大，纖維表面粗糙程度增大，黃麻表面形貌上的改變有利于黃麻纖維與聚氨酯樹脂基體間的界面嚙合和粘結(jié)。經(jīng)過(guò)微波輔助NaOH處理后，顯著地改善了黃麻纖維的表面性質(zhì)，提高了黃麻纖維對(duì)硅烷偶聯(lián)劑和基體樹脂的浸潤(rùn)性，增強(qiáng)了與聚氨酯基體的結(jié)合能力。

圖1 改性前后纖維表面形貌

2.2 纖維含量對(duì)發(fā)泡板材壓縮性能的影響

經(jīng)微波輔助處理，硅烷偶聯(lián)劑表面修飾，制備的發(fā)泡板材壓縮性能與纖維含量的關(guān)系如圖2所示，其中圖2中1表示纖維含量與發(fā)泡板材壓縮性能的關(guān)系曲線，2為壓縮模量與黃麻含量的關(guān)系曲線。可以看出，經(jīng)過(guò)處理的黃麻纖維混入聚氨酯基體后，發(fā)泡板材的壓縮性能發(fā)生了明顯的改善，當(dāng)改性纖維的比例為2.5%時(shí)，制備的發(fā)泡板材具有最高的壓縮強(qiáng)度，將近 7.5MPa，壓縮模量達(dá)到128MPa。當(dāng)改性纖維組分大于2.5%時(shí)，制備的板材壓縮強(qiáng)度開始下降，這主要是由于改性纖維混入的比例較高，纖維在聚氨酯發(fā)泡劑低溫下粘度較大，纖維存在較為明顯的糾纏、集聚和分散不均勻情況，加之發(fā)泡劑在發(fā)泡成型過(guò)程中發(fā)泡體系的反應(yīng)縮率較難掌控，攪拌時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，這些都導(dǎo)致改性黃麻對(duì)聚氨酯基體表面的浸潤(rùn)性能降低。隨著改性黃麻組分的加大，制備的發(fā)泡板材的壓縮模量也逐漸提高，增幅減緩。

圖2 纖維含量對(duì)壓縮性的影響

2.3 纖維長(zhǎng)度對(duì)發(fā)泡板材壓縮性能的影響

當(dāng)改性纖維的填充量為2.5%時(shí)，將不同纖維短切后，與聚氨酯發(fā)泡劑混合制備增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡板材，不同纖維長(zhǎng)度對(duì)制備的發(fā)泡板材壓縮性能的影響如圖3所示。

圖3 纖維長(zhǎng)度對(duì)壓縮性的影響

圖3 中1為纖維長(zhǎng)度與發(fā)泡板材壓縮強(qiáng)度的關(guān)系曲線，2為壓縮模量與纖維長(zhǎng)度關(guān)系曲線?？梢郧逦乜闯?，黃麻纖維長(zhǎng)度對(duì)聚氨酯發(fā)泡板材的力學(xué)性能影響比較顯著。當(dāng)纖維的短切長(zhǎng)度為2mm左右時(shí)，所制備的發(fā)泡板材壓縮強(qiáng)度最高；當(dāng)短切纖維尺寸大于2mm時(shí)，發(fā)泡板材的壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)降低。在纖維短切尺寸超過(guò)聚氨酯的泡孔尺寸時(shí)，一些纖維貫穿泡孔內(nèi)部，這部分在泡孔中的纖維表面并不能與聚氨酯基體相結(jié)合，降低了纖維的表面利用率，同時(shí)泡孔中的纖維也改變了泡孔的結(jié)構(gòu)，增加了泡孔的不勻性；同時(shí)短切黃麻尺寸增大后，纖維與纖維容易糾纏和集聚，分散不勻，聚氨酯基體與纖維之間有效浸潤(rùn)程度降低。纖維尺寸增加，制備的增強(qiáng)泡沫板材壓縮模量也逐漸增加，在纖維尺寸為2mm～3mm左右時(shí)，硬泡板材的壓縮模量增幅減緩。實(shí)際操作中，纖維尺寸增加，纖維混入聚氨酯發(fā)泡劑中攪拌均勻相對(duì)困難一些，纖維較難形成均勻有效的分散。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，作為增強(qiáng)相的短切散纖維的尺寸不能過(guò)長(zhǎng)。

3 結(jié)論

為了提高黃麻纖維的浸潤(rùn)性能，借助改裝的微波爐輔助氫氧化鈉溶液處理黃麻纖維，并利用硅烷偶聯(lián)劑KH550對(duì)改性的黃麻纖維表面進(jìn)行修飾，制備了黃麻纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

（1)經(jīng)過(guò)微波輔助處理后黃麻纖維表面粗糙度有明顯提高，纖維表面暗紋增加，黃麻纖維表面的溝槽相比未處理的有較明顯的加深。

（2)改性黃麻的混入有利于聚氨酯發(fā)泡板材壓縮性能的顯著改善，當(dāng)短切纖維的組分為2.5%時(shí)，制備的增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡板材壓縮強(qiáng)度最高，當(dāng)短切纖維組分超過(guò)2.5%時(shí)，增強(qiáng)聚氨酯硬泡板材的壓縮強(qiáng)力降低。

（3)制備的聚氨酯硬泡板材的壓縮強(qiáng)度隨短切纖維尺寸的增加有明顯的改善，當(dāng)短切纖維的長(zhǎng)度在2mm左右時(shí)，所制備的板材具有最大的壓縮強(qiáng)度；當(dāng)黃麻尺寸超過(guò)2mm，纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起均勻分散困難，易團(tuán)聚，混合不勻，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度開始下降。