苘麻/聚乙烯復合材料性能的研究

唐偉 張晨夕 王偉宏 郭麗敏

摘要 我國的麻類資源非常豐富，將麻纖維用于復合材料的制備能擴大麻纖維的應用范圍，有效提高麻纖維的使用價值。將苘麻纖維（AF）作為增強材料，通過熱壓工藝制備了苘麻/聚乙烯（PE）復合材，并探討了該復合材的各項性能。通過熱重分析確定了苘麻纖維的加工溫度為180 ℃，對比分析AF/PE復合材的力學性能，確定制備復合材時AF含量控制在60%范圍內能得到性能優(yōu)異的復合材，AF與PE的最佳質量比為55∶45。苘麻纖維經硅烷偶聯(lián)劑處理后，AF/ PE復合材的彎曲性能和拉伸性能都有明顯提高，吸水厚度膨脹率明顯降低。由紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑與苘麻纖維表面的羥基發(fā)生化學反應生成了硅-氧-碳共價鍵，硅烷偶聯(lián)劑使麻纖維表層與PE基質層之間產生分子結合，因此提高了PE基質與苘麻纖維的結合強度。

關鍵詞 苘麻纖維；聚乙烯；復合材料；性能；硅烷偶聯(lián)劑

中圖分類號 S563 文獻標識碼 A 文章編號 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

我國是一個農業(yè)大國，有超過100種麻類產品的種植，形成了南有劍麻、北有亞麻、東有大麻、西有羅布麻、中有苧麻、大部分地區(qū)有苘麻、洋麻、黃麻的格局^[1]。麻的韌皮纖維、莖稈、麻子都是用途廣泛的生物質資源，綜合高效地利用這些麻類可以實現(xiàn)農作物產品產值的最大化。

麻纖維具有較大的長徑比以及較高的強度和模量，經常被用在復合材料中用作天然增強材料^[2-3]。為了得到能應用于實際的高性能的麻纖維/熱塑性樹脂復合材料，國內外學者做了大量研究。用不同添加量的亞麻、苧麻、黃麻、劍麻、洋麻及漂白亞麻纖維增強聚丙烯樹脂，能夠得到可與玻璃鋼材料性能相媲美的復合材料^[4-9]；麻纖維的不同填充形式也對復合材性能產生影響^[10-13]，把亞麻纖維編織成麻布再增強PP樹脂能有效提高復合材料的靜曲強度和硬度；增強麻纖維本體的強度直接影響到復合材的強度，堿處理能使黃麻纖維結構收縮，增加纖維的結晶區(qū)比例和聚合度，提高纖維的強度和硬度。因此，把處理后的黃麻纖維加入樹脂中，能很好地提高復合材的強度^[14-15]。通過改善麻纖維與基體之間的界面相容性來制得高性能復合材一直是麻纖維研究的熱點^[16-17]。劍麻表面處理或甲基丙烯酸甲酯接枝聚合改性能有效地改善劍麻與PP的界面相容性，提高復合材料的熱穩(wěn)定性、韌性和各項力學性能，降低復合材料的吸水率^[18-23]；對洋麻表面進行堿處理、偶聯(lián)劑處理和堿-偶聯(lián)劑處理后，制得的聚丙烯基復合材的彎曲強度、彎曲彈性模量和層間剪切強度均得到提高，堿-偶聯(lián)劑雙重處理使復合材料彎曲性能、彎曲彈性模量和層間剪切強度提高了26%、18%和572%^[24]。在黃麻/PP復合材料制備時，加入一定量的馬來酸酐接枝聚丙烯可使復合材力學性能明顯提高^[25-26]。

除上述的亞麻、黃麻、洋麻外，我國苘麻產量巨大，居世界第1位，除青藏高原外，其他各省區(qū)均有種植。但是，苘麻纖維中木質素含量高達16.4%，限制了其在紡織領域的應用^[27]。苘麻主要用于制備麻繩、麻袋及其他形式的包裝材料等低附加值產品，其使用價值未被重視。但苘麻纖維的粗糙、堅韌等特性卻是增強各類樹脂的優(yōu)勢。因此，該研究的目的是利用價格低廉的苘麻作為增強材料制備苘麻/聚乙烯復合材，考察麻纖維含量和偶聯(lián)劑處理對復合材性能的影響，為提高苘麻的利用價值提供新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料

聚乙烯纖維（PE），采用市購PE撕裂膜，根據(jù)試驗要求將其裁割成不同長度的PE纖維；苘麻（AF）以麻布（圖1）的形式用來增強聚乙烯，從當?shù)厥袌霾少?。乙烯基三甲氧基硅烷偶?lián)劑A171，分子式為CH₂=CHSi（OCH₂CH₃）₃，無色液體，有刺激性氣味，購于哈爾濱市化工研究所；過氧化二異苯丙（DCP），用做引發(fā)劑，為無色或白色顆粒晶體，活性氧含量5.92%，化學純，購于沈陽市新西化學試劑廠。

1.2 復合材料的制備

1.2.1 偶聯(lián)劑對苘麻纖維布的處理。

①將無水乙醇與水配制成95%的乙醇水溶液，用冰醋酸調節(jié)pH至3，邊攪拌邊加入硅烷偶聯(lián)劑A171，偶聯(lián)劑用量為苘麻纖維布質量的4%，溶液濃度控制在5%左右，水解數(shù)小時。

②將配制好的硅烷溶液均勻噴淋到麻纖維布表面，室溫晾置12 h以上，直至乙醇和醋酸完全揮發(fā)。

③將DCP溶于丙酮，用量為PE纖維的0.13%，對PE纖維進行噴淋，之后晾置24 h以上至丙酮全部揮發(fā)。

④將苘麻纖維布與PE纖維在50 ℃烘箱進行干燥處理，備用。

1.2.2 AF/PE復合材的制備。

分別對AF和PE進行熱重分析，確定復合材的最佳制備溫度為180 ℃。

將聚酯膜鋪覆在鋼板上以利于脫模，將“1.2.1”中硅烷偶聯(lián)劑處理過的苘麻布或未處理的苘麻布與PE纖維按照預設質量比逐層鋪裝成板坯，蓋上聚酯膜和鋼板，放入烘箱中預熱，使板芯溫度達到110 ℃；之后迅速放入熱壓機內熱壓，熱壓溫度為180 ℃，壓力為5 MPa。12 min后取出，在保持壓力條件下冷卻定型，制成板材的尺寸為350 mm×350 mm×6 mm。AF和PE質量比分別為50∶50、55∶45、60∶40、65∶35、70∶30、75∶25。

1.3 性能檢測

1.3.1 力學性能測試。

抗彎性能：按照ASTM D79003塑料彎曲試驗標準制備試件，尺寸為120 mm×24 mm×6 mm，跨距為96 mm，每組重復試驗8個。

拉伸性能：按照ASTM D63803塑料拉伸試驗標準制備試件，長度為165 mm，兩端寬度為19 mm，中間測試部分寬度為13 mm，試樣厚度為6 mm，標距為50 mm，每組重復試驗6個。

抗沖擊性能：按照GB/T 16420-1996國家沖擊試驗標準制備試件，尺寸為80 mm×10 mm×6 mm，跨距為60 mm，每組重復試驗10個。

1.3.2 吸水厚度膨脹率測試。

按照GB/T 17657-1999人造板及飾面人造板理化性能試驗方法進行測試，試件尺寸為50 mm×50 mm×6 mm，每組至少測試6個試件。水溫度為20 ℃，完成浸泡后，擦去表面附著水，在原測量點測其厚度，測量工作在30 min內完成。

試件的吸水厚度膨脹率按式（1）計算。

T=（h₂-h₁）/h₁×100 （1）

式中，T為吸水厚度膨脹率（%）；

h₁為浸水前試件厚度（mm）；

h₂為浸水后試件厚度（mm）。

1.3.3 紅外吸收光譜（FTIR）分析。利用MagnaIR 560 E.S.P型傅立葉交換紅外光譜儀對復合材進行紅外吸收光譜分析（美國Nicolet公司生產）。采用溴化鉀做稀釋劑，將AF/PE復合材樣品放在研缽里研磨成細小、均勻的粉末，壓片成型，用于紅外光譜分析，分辨率設置為4 cm-1，掃描次數(shù)為40次/min。

1.3.4 熱重分析（TG）。

利用NETZSCH209 F3型熱重分析儀對苘麻纖維和PE樹脂進行熱重分析（德國耐馳儀器公司生產）。爐膛氣氛為N₂，溫度范圍控制為苘麻纖維30～600 ℃，PE樹脂30～800 ℃；升溫速度為10 ℃/min。

1.3.5 掃描電子顯微鏡。

用荷蘭公司生產的FEI QUNGTA200型掃描電子顯微鏡觀察復合材的微觀形態(tài)。將試樣放入液氮中充分冷凍，然后快速脆斷，截取橫斷面。用導電膠將其固定在樣品托上，對其表面進行噴金處理，然后在加速電壓為12.5～15.0 kV條件下對復合材料斷面進行觀察。

2 結果與分析

2.1 熱壓溫度的確定

AF及PE熱失重微分DTG曲線如圖2所示。在30～400 ℃之間時，PE纖維沒有失重表現(xiàn)，當溫度大于400 ℃以后PE開始熱解，熱解溫度在465 ℃。苘麻纖維從起始階段就開始少量失重，應該為水分的蒸發(fā)；從160 ℃開始逐漸明顯，在275 ℃出現(xiàn)第一個下降小峰，應該包括分子中吸附水和結合水的脫除，以及纖維素單元中的糖苷鍵斷裂產生的一些低分子量的揮發(fā)物質；當溫度大于350 ℃，麻纖維開始逐步分解并碳化。結合聚乙烯的加工溫度，以180 ℃作為復合材的熱壓溫度時，苘麻纖維性能不會受到影響。

3 結論

對麻纖維進行熱加工時，為了使麻纖維本體的各性能不受高溫的影響，加工溫度不宜超過180 ℃。

綜合分析AF/PE復合材的抗彎性能、拉伸性能、吸水厚度膨脹率和微觀形態(tài)可以得出，PE對麻纖維的包覆效果好壞接影響復合材的物理力學性能，麻纖維的含量控制在60%以下復合材各的項性能較優(yōu)異；其中麻含量為55%時各項性能最佳。

采用硅烷偶聯(lián)劑A171處理苘麻纖維可以進一步提高復合材的各項物理力學性能，從紅外光譜圖可以看出，硅烷偶聯(lián)劑充當了“橋”的角色，使苘麻纖維和PE樹脂在分子級上形成結合，有效地改善了苘麻與PE間的界面相容性問題。

研究證明，利用苘麻纖維可以獲得性能優(yōu)異的復合材料，對苘麻的利用可以拓展到更廣闊的范圍，提高農產品附加值。

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