李鑫 ，左祺 ，徐磊 ，張紅霞

（1.天津工業(yè)大學(xué)財(cái)務(wù)處，天津 300387； 2.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

苧麻織物對(duì)比玻璃纖維以及碳纖維織物，具有來(lái)源廣、成本低、質(zhì)量輕、密度小、綠色無(wú)污染、可循環(huán)利用以及生產(chǎn)能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]。苧麻對(duì)比黃麻、劍麻等麻類纖維可紡性強(qiáng)，性能良好并穩(wěn)定，纖維素比例高，對(duì)比玻璃纖維等高性能纖維性能較弱，但比強(qiáng)度、比模量與玻纖相近[2]。從環(huán)境保護(hù)出發(fā)，研究人員采用苧麻纖維替代玻璃纖維以增強(qiáng)復(fù)合材料。如今，苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在諸多工業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用[3]，尤其在汽車內(nèi)飾領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于內(nèi)飾門板、頂棚、座椅、駕駛表盤等非承力結(jié)構(gòu)[4]，另外在地面軌道交通以及航空航天等高性能領(lǐng)域正在逐漸推廣。其中限制其更大范圍應(yīng)用的主要原因是麻纖維本身的力學(xué)性能較低以及與樹(shù)脂界面結(jié)合性能較差。

在高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，為了合理利用纖維增強(qiáng)體承載性能，研究人員探究了高性能纖維的鋪層角度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[5–6]。而在天然纖維領(lǐng)域?qū)β槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)關(guān)注較少。對(duì)鋪層角度的研究集中在0o，±45o和90o，單一方向的0o或90°拉伸性能較優(yōu)，±45o復(fù)合材料的吸能效果較優(yōu)[7–8]。劉誠(chéng)等[9]研究了多種鋪層方式對(duì)黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。當(dāng)雙向取向鋪層時(shí)，在雙向取向角為±45o時(shí)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值為89.92 MPa。筆者設(shè)計(jì)了0o，±45o和90o單向和雙向取向的鋪層角度組合方案，研究不同鋪層角度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

復(fù)合材料力學(xué)性能除了與麻纖維本身的力學(xué)性能有關(guān)，也受纖維與基體的界面結(jié)合情況影響。當(dāng)載荷可以通過(guò)界面進(jìn)行傳遞時(shí)，界面結(jié)合效果最優(yōu)。然而，麻纖維中纖維素的羥基基團(tuán)較多，具有親水性[10]，親水性基團(tuán)難以與樹(shù)脂基體中的憎水性基團(tuán)形成結(jié)合，導(dǎo)致纖維與基體的界面性能較差，使得纖維增強(qiáng)體不能完全發(fā)揮承載作用；另外，復(fù)合材料中纖維的親水基團(tuán)會(huì)通過(guò)不良界面，吸收水分并發(fā)生水合作用，導(dǎo)致復(fù)合材料厚度方向發(fā)生膨脹以及力學(xué)性能下降[11–12]。針對(duì)此問(wèn)題，纖維表面改性可改善復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，化學(xué)方法是常見(jiàn)的改性方式，例如堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理、表面活性劑處理等。王春紅等[13]采用堿+阻燃劑+硅烷偶聯(lián)劑對(duì)聚乳酸／苧麻熱固性復(fù)合材料進(jìn)行化學(xué)改性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃性能。李新功等[14]通過(guò)堿處理+異氰酸酯調(diào)控了聚乳酸／竹纖維復(fù)合材料的界面情況，使界面結(jié)合狀況改善并提高了力學(xué)性能。趙文杰等[15]采用堿處理+陽(yáng)離子活性劑處理對(duì)亞麻布與不飽和聚酯樹(shù)脂(UPR)的復(fù)合材料進(jìn)行改性，亞麻布的吸濕率下降了30.3%，同時(shí)復(fù)合材料的吸濕性降低了26%，其力學(xué)性能也有了一定的改善。倪愛(ài)清等[16]用納米SiO2和NaOH以及硅烷偶聯(lián)劑對(duì)苧麻纖維進(jìn)行改性，通過(guò)對(duì)改性后苧麻纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形貌、結(jié)晶度的探討，揭示了苧麻纖維／乙烯基酯樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能提高以及吸濕性能降低的改性機(jī)理?；瘜W(xué)改性可以提高天然纖維的疏水性能和樹(shù)脂的浸潤(rùn)性能，聯(lián)合改性可以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能、界面性能和吸水性能。

為拓寬苧麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，以及解決制約其發(fā)展的力學(xué)性能較低和界面結(jié)合差的問(wèn)題，筆者進(jìn)行苧麻織物的鋪層設(shè)計(jì)，并研究鋪層參數(shù)對(duì)UPR／苧麻織物(UPR／苧麻)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，從纖維尺度分析纖維化學(xué)聯(lián)合改性對(duì)復(fù)合材料層間剪切性能以及吸水性能的影響，從而反映了纖維與基體的界面結(jié)合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

苧麻織物：機(jī)織平紋，面密度為130 g／m2，苧麻織物經(jīng)向強(qiáng)力和緯向強(qiáng)力分別為367.2 N和475.2 N，湖南華升洞庭麻業(yè)有限公司；

UPR：HR–802，常州市華潤(rùn)復(fù)合材料有限公司；

氫氧化鈉(NaOH)粉末：天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑：KH550，濟(jì)南金輝化工有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

液壓機(jī)：Y／TD71–45A型，天津液壓廠；

鼓風(fēng)干燥箱：DHG–9240A型，鞏義市予華儀器有限公司；

萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)：Instron3369型，美國(guó)英斯特朗公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Phenom TM型，復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司；

光學(xué)顯微鏡：VHX–1000型，上?；魇繃?guó)際貿(mào)易有限公司；

電子單纖強(qiáng)力儀：YG001A型，太倉(cāng)紡織儀器廠；

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：Nicolet iS50型，美國(guó)尼高力儀器公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)不同鋪層角度復(fù)合材料的制備。

按照苧麻纖維與UPR的質(zhì)量比為30∶70的比例，將UPR均勻涂抹到苧麻織物上，制得UPR／苧麻預(yù)浸料。通過(guò)鋪層角度的設(shè)計(jì)，以4種不同鋪層角度鋪放8層UPR／苧麻預(yù)浸料，鋪層方案見(jiàn)表1，織物各方向的示意圖如圖1所示。

表1 UPR／苧麻預(yù)浸料的鋪層設(shè)計(jì)方案

圖1 苧麻織物的角度方向示意圖

最終將鋪放好的預(yù)浸料通過(guò)壓機(jī)模壓工藝成型。先在常溫5 MPa下模壓，前10 min時(shí)每隔5 min卸壓一次，以充分去除多余的氣泡并且使樹(shù)脂均勻浸潤(rùn)織物；然后在常溫5 MPa下壓制2 h，取出置于80℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中后固化2 h。

(2)苧麻織物化學(xué)改性。

堿處理：堿處理濃度(NaOH占纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為1%，2%和3%，浴比（纖維織物與NaOH溶液的比例）1∶20，溫度為100 ℃，每隔15 min攪拌一次，45 min后用溫水洗至中性，最后置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中80℃烘干2 h。

硅烷偶聯(lián)劑處理：硅烷偶聯(lián)劑濃度（硅烷偶聯(lián)劑占纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為1%，3%和5%，浴比1∶20，常溫下浸泡，每隔15 min攪拌一次，2 h后置于80℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中2 h。

堿+硅烷偶聯(lián)劑聯(lián)合處理：先按照堿處理的優(yōu)選工藝進(jìn)行處理，然后再按照硅烷偶聯(lián)劑的優(yōu)選工藝進(jìn)行處理。

(3)改性后UPR／苧麻復(fù)合材料制備。

根據(jù)優(yōu)選的鋪層方案，將改性處理后的苧麻織物，制備成UPR／苧麻預(yù)浸料，通過(guò)模壓和后固化成型，工藝按照(1)操作。

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能按照ASTM D638–2014 測(cè)試，試樣尺寸為160 mm×12.5 mm×3 mm，拉伸速度為5 mm／min，拉伸試樣跨距為90 mm。

彎曲性能按照ASTM D790–2010測(cè)試，試樣尺寸為60 mm×12.5 mm×3 mm，加載速度為2 mm／min，彎曲試樣跨距為48 mm。

層間剪切強(qiáng)度按照J(rèn)C／T 773–2010測(cè)試，試樣尺寸為30 mm×15 mm×3 mm，加載速度為1 mm／min，剪切試樣跨距為15 mm。

采用SEM觀察纖維的縱向形態(tài)和復(fù)合材料的拉伸斷裂界面。

吸水性能按照GB／T 1462–2005測(cè)試，試樣尺寸為15 mm×15 mm×3 mm。首先在烘箱中以80℃烘干2 h，取出并稱重，然后完全浸泡在蒸餾水中，最后隔24 h取出稱重，稱重前用吸水紙吸干試樣表面水分，一共記錄96 h。

采用光學(xué)顯微鏡測(cè)試苧麻纖維的平均直徑；

用電子單纖強(qiáng)力儀按照ASTM D3822–2007對(duì)單纖維的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。夾持隔距設(shè)置為10 mm，拉伸速度為1 mm／min，量程為200 cN。

采用FTIR儀對(duì)改性前后的苧麻纖維進(jìn)行FTIR測(cè)試，分析研究其分子結(jié)構(gòu)，在400～4 000 cm–1范圍進(jìn)行掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋪層設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

為了設(shè)計(jì)軌道交通復(fù)合材料板材的整體鋪層方案，首先應(yīng)研究不同鋪層方案對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，再對(duì)整體產(chǎn)品的鋪層分布進(jìn)行探究。根據(jù)4種鋪層方案制備的UPR／苧麻復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖2所示。由圖2a可見(jiàn)，2#緯向鋪層復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為56.52 MPa比最低的4#米字型鋪層復(fù)合材料提高54.5%，但4種鋪層方案復(fù)合材料的拉伸彈性模量差距不大。由圖2b看出，2#復(fù)合材料彎曲性能最優(yōu)，彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量分別比1#經(jīng)向鋪層的分別提高34.3%，24.1%。圖2c看出，2#復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度最高。綜合可知，2#復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別比1#復(fù)合材料提高了42.7%，34.3%，27.1%。

圖2 不同鋪層角度對(duì)苧麻／UPR復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2#鋪層的UPR／苧麻復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)，由于苧麻織物經(jīng)向強(qiáng)力和緯向強(qiáng)力分別為367.2 N和475.2 N，緯向強(qiáng)力大于經(jīng)向強(qiáng)力，織物沿拉伸方向的斷裂強(qiáng)力越大，復(fù)合材料的拉伸性能越好。彎曲性能和剪切性能測(cè)試時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，是拉伸、壓縮、剪切和局部擠壓等應(yīng)力的綜合表現(xiàn)[17]。當(dāng)強(qiáng)度較大的纖維方向與試樣的長(zhǎng)度方向一致時(shí)，更有利于應(yīng)力的傳遞，織物緯向方向的力學(xué)性能較大，因而緯向鋪層復(fù)合材料的力學(xué)性能最大。3#復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能對(duì)比1#和4#較好，但低于2#，經(jīng)向和緯向的交叉鋪層降低了復(fù)合材料在垂直和水平方向上的各向異性，提高了纖維分布的均勻性，3#復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于1#復(fù)合材料。1#和4#復(fù)合材料的力學(xué)性能都不高，1#復(fù)合材料是因?yàn)樵诳椩爝^(guò)程中對(duì)經(jīng)向紗線造成了損傷，織物經(jīng)向力學(xué)性能低于緯向，復(fù)合材料的力學(xué)性能與織物性能有關(guān)，使得1#復(fù)合材料力學(xué)性能較低。對(duì)于4#復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，沿拉伸方向，復(fù)合材料中有一半的載荷不能直接作用在纖維方向上，載荷通過(guò)經(jīng)緯紗線交織點(diǎn)的摩擦力和經(jīng)緯方向上的分力來(lái)傳遞，因此其拉伸性能在全部鋪層設(shè)計(jì)中最差。然而，45°的纖維排布限制了在疊層復(fù)合后層間產(chǎn)生相對(duì)位移，產(chǎn)生抵抗阻力，因此在材料內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力，從而導(dǎo)致4#復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度高于3#和1#。

2.2 堿處理對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響

堿處理苧麻纖維的目的是去除纖維表面的半纖維素、果膠、雜質(zhì)等小分子物質(zhì)，并使得纖維表面因出現(xiàn)了溝槽和裂紋而變得粗糙[13]。未處理纖維和堿處理后纖維的SEM照片如圖3所示。未處理纖維上的雜質(zhì)較多，影響纖維與樹(shù)脂的直接接觸。纖維經(jīng)過(guò)堿處理后，雜質(zhì)被基本去除，且表面溝壑增加，提高了纖維的比表面積，增加了樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維的通道，理論上有利于纖維與樹(shù)脂的接觸。

圖3 未處理及堿處理后苧麻纖維的表面SEM照片

堿處理后苧麻纖維的FTIR譜圖如圖4所示?！狾H基團(tuán)的吸收峰出現(xiàn)在3 332 cm–1處，堿處理后的波峰面積相對(duì)增加。由圖4可知，堿處理苧麻纖維表面除纖維素外的小分子物質(zhì)被去除。1 492 cm–1處是C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰，屬于半纖維素的特征吸收峰；木質(zhì)素中特有的C—O伸縮振動(dòng)吸收峰在1 243 cm–1處。堿處理后苧麻纖維半纖維素和木質(zhì)素的紅外光透過(guò)率提高，其特征峰的強(qiáng)度減弱，說(shuō)明堿處理對(duì)半纖維素和木質(zhì)素確實(shí)有去除作用。經(jīng)過(guò)堿處理后苧麻纖維沒(méi)有出現(xiàn)新的波峰，說(shuō)明堿處理只對(duì)苧麻纖維表面進(jìn)行物理處理。

圖4 1%堿處理的苧麻纖維表面基團(tuán)的FTIR譜圖

苧麻織物作為增強(qiáng)體，纖維與樹(shù)脂的結(jié)合是紗線整體甚至是織物整體的結(jié)合形式，因此采用層間剪切強(qiáng)度來(lái)宏觀地表示UPR／苧麻復(fù)合材料層與層之間的粘接強(qiáng)度[18]，從而表示復(fù)合材料的界面性能。圖5為不同堿含量改性UPR／苧麻復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度。

圖5 不同堿含量改性UPR／苧麻復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度

由圖5可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)堿改性后的UPR／苧麻復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度有所降低。纖維由原纖絲束組成，堿處理后纖維會(huì)分裂成更小的原纖，提高了比表面積，增加了纖維與樹(shù)脂基體的接觸面積。但過(guò)度的堿處理會(huì)對(duì)UPR／苧麻復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)作用，這是因?yàn)閴A液對(duì)纖維素有一定的分解作用，對(duì)纖維內(nèi)部的主承力結(jié)構(gòu)造成破壞。堿處理對(duì)苧麻纖維進(jìn)行改性后的纖維性能變化見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)1%堿處理后苧麻纖維的直徑變小，且堿處理后平均單纖維強(qiáng)力為414.69 MPa，比未處理的單纖維強(qiáng)力提高了18.3%；經(jīng)過(guò)堿處理后的UPR／苧麻復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為53.01 MPa，比未處理的復(fù)合材料降低了6.2%。

表2 1%堿處理和3%偶聯(lián)劑處理的苧麻纖維及其復(fù)合材料性能

綜合分析，經(jīng)過(guò)堿處理后纖維強(qiáng)力提高，但復(fù)合材料的力學(xué)性能下降，可以推斷堿處理后表面的羥基活性增加，親水性能增強(qiáng)。雖然堿處理后纖維表面變得粗糙，雜質(zhì)被去除，溝壑增多，但是由于羥基的存在，疏水性樹(shù)脂無(wú)法滲入纖維表面溝壑中，無(wú)法發(fā)揮堿處理的作用，導(dǎo)致界面結(jié)合效果不好，剪切強(qiáng)度下降。結(jié)合堿處理對(duì)纖維性能的影響，堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可選擇為1%，使其對(duì)纖維性能起到積極的作用，并保證聯(lián)合改性中能夠充分發(fā)揮偶聯(lián)劑的作用。

2.3 偶聯(lián)劑處理對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響

圖6為不同偶聯(lián)劑含量處理的UPR／苧麻復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。從圖6可以明顯看出，當(dāng)偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，UPR／苧麻復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度有明顯的增加，比未處理的復(fù)合材料提高了11.6%，界面效果提高。由表2可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理，纖維直徑變小，且平均單纖維強(qiáng)力相比于未處理的纖維提高了28.0%，比堿處理效果好；偶聯(lián)劑處理后的UPR ／苧麻復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度61.01 MPa，較未處理的提高了7.9%，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能起積極作用。

圖6 不同偶聯(lián)劑含量改性的苧麻／UPR復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度

圖7為3%偶聯(lián)劑改性苧麻纖維的表面形貌的SEM照片。從圖7可看出，對(duì)比未處理的纖維(圖3a），偶聯(lián)劑處理后的纖維表面存在顆粒狀的物質(zhì)，纖維變得粗糙。并且偶聯(lián)劑是疏水物質(zhì)，包裹在纖維表面后，能促進(jìn)纖維與基體相容。

圖7 3%偶聯(lián)劑改性苧麻纖維的表面形貌的SEM照片

圖8為偶聯(lián)劑改性苧麻纖維與未處理的苧麻纖維的FTIR譜圖。從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理的苧麻纖維的FTIR譜圖上3 327 cm–1處—OH基團(tuán)的吸收峰明顯減弱，揭示偶聯(lián)劑在苧麻纖維表面與—OH結(jié)合形成化學(xué)鍵，消耗—OH基團(tuán)。加入的偶聯(lián)劑與苧麻纖維產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，消耗纖維表面的親水基團(tuán)，提高苧麻纖維疏水性，從而提高復(fù)合材料的界面結(jié)合性。

圖8 3%偶聯(lián)劑處理改性的苧麻纖維的影響

另一方面，圖8中經(jīng)偶聯(lián)劑處理的苧麻纖維的FTIR譜圖出現(xiàn)了新的特征吸收峰1 548 cm–1，與—NH2的伸縮振動(dòng)吸收峰相對(duì)應(yīng)；2 906 cm–1附近的雙重峰為甲基、亞甲基的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰，相對(duì)于未處理纖維有所下降。硅烷偶聯(lián)劑KH550在FTIR譜圖中可見(jiàn)—NH2的伸縮振動(dòng)吸收峰。苧麻纖維的表面羥基與偶聯(lián)劑基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新基團(tuán)，纖維和基體之間以化學(xué)鍵形成了牢固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維親水性下降，減少了溶脹效果，因此經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑改性的UPR／苧麻復(fù)合材料的界面結(jié)合性能以及力學(xué)性能也得到改善。

2.4 聯(lián)合改性對(duì)復(fù)合材料的界面性能影響

UPR／苧麻復(fù)合材料界面性能可以通過(guò)對(duì)苧麻織物的堿處理+偶聯(lián)劑聯(lián)合處理改性實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改善。圖9為不同改性方式改性的UPR／苧麻復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。由圖9可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)聯(lián)合改性后的UPR／苧麻復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度明顯提高，1%堿+3%偶聯(lián)劑聯(lián)合改性后UPR／苧麻復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度為8.76 MPa，相比未處理、單獨(dú)堿處理和單獨(dú)偶聯(lián)劑處理分別提高了23.6%，26.0%，10.7%。

圖9 不同改性方式的苧麻／UPR復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度

圖10為堿與偶聯(lián)劑改性后的UPR／苧麻復(fù)合材料斷面的SEM照片。由圖10可以看出，未處理的復(fù)合材料斷面中，纖維從樹(shù)脂中抽拔出來(lái)，證明界面效果不好。而經(jīng)過(guò)1%堿+3%偶聯(lián)劑的聯(lián)合改性后，UPR／苧麻復(fù)合材料的基體均勻包圍纖維，原有的界面被樹(shù)脂填充，纖維呈脆性斷裂。

通過(guò)堿處理，纖維溶脹，提高纖維素內(nèi)部非結(jié)晶區(qū)的可及性，暴露出更多的游離羥基，使得偶聯(lián)劑進(jìn)入纖維素內(nèi)部的無(wú)定形區(qū)，與羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低纖維表面的親水效果。雖然經(jīng)過(guò)初步的堿處理后，羥基阻礙UPR進(jìn)入纖維的溝壑和縫隙中，導(dǎo)致UPR／苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能下降，但是經(jīng)過(guò)與偶聯(lián)劑聯(lián)合改性纖維，改善了纖維表面的疏水性，使纖維與樹(shù)脂的潤(rùn)濕效果提高，更好地發(fā)揮了堿處理的作用。

圖10 未處理及堿與偶聯(lián)劑改性后的UPR／苧麻復(fù)合材料斷面的SEM照片

2.5 化學(xué)改性對(duì)復(fù)合材料吸水性能的影響

復(fù)合材料的吸水性能取決于復(fù)合材料界面結(jié)合效果，若纖維與基體結(jié)合不緊密，水分子則會(huì)通過(guò)纖維與基體間的空隙傳遞到復(fù)合材料中，使其在厚度方向上發(fā)生膨脹，造成天然纖維復(fù)合材料板材尺寸不穩(wěn)定，且復(fù)合材料的力學(xué)性能下降[19]。因此為了降低吸水性能，提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能，需要通過(guò)化學(xué)改性改善復(fù)合材料的界面。

圖11為不同處理方式的UPR／苧麻復(fù)合材料吸水性能。

圖11 不同化學(xué)改性的UPR／苧麻復(fù)合材料吸水性能

由圖11可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)3種化學(xué)改性方式可得出1%堿+3%偶聯(lián)劑聯(lián)合改性的UPR／苧麻復(fù)合材料吸水性能最低，較未處理、單獨(dú)堿改性和單獨(dú)偶聯(lián)劑改性復(fù)合材料的吸水性能分別降低了28.5%，23.2%，16.2%。聯(lián)合改性復(fù)合材料的吸水率最低，證明水分子通過(guò)纖維與基體的緊密界面滲透進(jìn)復(fù)合材料的速率最慢。經(jīng)過(guò)1%堿處理后的UPR／苧麻復(fù)合材料與未處理的復(fù)合材料的吸水性能無(wú)變化，經(jīng)過(guò)3%偶聯(lián)劑處理的復(fù)合材料吸水性能有明顯的降低，并且吸水率變化比較緩慢。由此也反映了聯(lián)合改性對(duì)復(fù)合材料的界面改性最有效，明顯提高了纖維與基體的界面結(jié)合效果，其次是偶聯(lián)劑改性，該趨勢(shì)與層間剪切強(qiáng)度一致，也證明了根據(jù)吸水性能反映復(fù)合材料界面性能是可行的。

3 結(jié)論

(1)在 0o，90o，0o／90o和 0o／±45o／90o的 4 種鋪層設(shè)計(jì)中，由于其90o緯向織物本身優(yōu)異的力學(xué)性能，緯向鋪層的UPR／苧麻復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯高于其它三種設(shè)計(jì)的復(fù)合材料。在層間剪切強(qiáng)度的測(cè)試中，±45o的鋪層限制0o和90o的織物位移，使得復(fù)合材料的層間結(jié)合較好，層間剪切強(qiáng)度較高。

(2)結(jié)合堿處理、偶聯(lián)劑處理UPR／苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能以及纖維尺度層面的直徑和單纖維強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化可得1%堿和3%硅烷偶聯(lián)劑聯(lián)合處理是苧麻纖維較為適宜的改性方法。復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度比未處理的提高了23.6%，宏觀反映了聯(lián)合改性有利于纖維與樹(shù)脂的界面結(jié)合，并且界面改性效果優(yōu)于單一的堿改性或者偶聯(lián)劑改性。

(3)由聯(lián)合改性復(fù)合材料的吸水率最低可得，聯(lián)合改性纖維的UPR／苧麻復(fù)合材料界面結(jié)合最優(yōu)。UPR／苧麻復(fù)合材料吸水性能最低，比未處理的下降了28.5%，聯(lián)合改性后UPR／苧麻復(fù)合材料界面性能和吸水性能的改善有利于促進(jìn)UPR／苧麻復(fù)合材料在軌道交通等領(lǐng)域中的應(yīng)用，提高了板材的承載能力與尺寸穩(wěn)定性。