苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的研究

徐貴海，任子龍，賈瑞婷，王春紅，曹文靜，王 瑩

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387)

苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的研究

徐貴海，任子龍，賈瑞婷，王春紅，曹文靜，王 瑩

(天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387)

采用堿+偶聯(lián)劑復合處理對苧麻、黃麻織物進行表面改性，采用模壓工藝制備了苧麻織物、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料，探究了樹脂體積分數(shù)(體積含量)、堿和偶聯(lián)劑處理以及不同纖維對復合材料力學性能的影響，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：樹脂體積分數(shù)在60%以下時，隨著樹脂體積分數(shù)的增加，復合材料的力學性能呈上升趨勢；堿和偶聯(lián)劑處理的苧麻織物增強復合材料彎曲強度和彎曲模量值比未處理的分別提高了9.13%和31.6%；苧麻織物復合材料的彎曲強度和彎曲模量優(yōu)于黃麻織物增強復合材料。SEM結(jié)果表明，經(jīng)堿和偶聯(lián)劑處理后，復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；力學性能

1 引 言

步入21世紀，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)展社會已經(jīng)成為當前我們必須面對與解決的問題。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，價格低廉，長徑比大，比強度高，比表面積大，密度低，可再生，可以彌補塑料的一些缺點，也可替代木材[1]。麻纖維高強低伸的特點非常適合作復合材料的增強體。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]，因此麻纖維在復合材料中的開發(fā)應(yīng)用意義重大。但麻纖維增強復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，導致兩者界面相容性較差，復合材料力學性能低。

本研究以苧麻、黃麻織物為增強體，以環(huán)氧樹脂為基體，采用堿+偶聯(lián)劑復合處理對織物表面進行了改性處理，探討了樹脂體積分數(shù)對復合材料力學性能的影響以及堿+偶聯(lián)劑復合處理苧麻織物對復合材料的力學性能的影響，并對比了苧麻、黃麻織物增強復合材料的力學性能。

2 實 驗

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：天津市風船化學科技有限公司。

2.2 實驗設(shè)備及儀器

電熱鼓風干燥箱：DHG-9070A型，上海一恒科學儀器有限公司；

Instron萬能強力機：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：Y/TD71 -45A型，天津液壓機廠；

掃描電鏡：TM-1000型，日本日立集團。

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)復合材料的制備

采用模壓成型工藝在液壓機上制備苧麻、黃麻織物/環(huán)氧樹脂復合材料，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復合材料的工藝相同。

2.4 復合材料性能測試

根據(jù)標準ASTM 790_03測試復合材料拉伸性能，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)標準 ASTM D3039/D3039M-00測試復合材料彎曲性能，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 樹脂體積分數(shù)對苧麻織物/環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響

圖1為不同樹脂體積分數(shù)的苧麻織物/環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能，由圖1中可以看出，隨著環(huán)氧樹脂體積分數(shù)的增加，復合材料的力學性能基本上呈逐漸上升趨勢，當樹脂體積分數(shù)為60%時，復合材料力學性能達到最大值。原因在于當復合材料體系中樹脂體積分數(shù)較少時，織物與樹脂之間的結(jié)合較差，當復合材料受到外力作用時，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，而隨著樹脂體積分數(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，作為增強體的苧麻織物也能很好地起到增強作用，從而復合材料的力學性能得到提升。

3.2 改性處理對苧麻織物/環(huán)氧樹脂復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，對苧麻織物/環(huán)氧樹脂復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)劑復合處理的苧麻/環(huán)氧樹脂復合材料的彎曲強度和彎曲模量值比未處理的分別提高了9.13%和31.6%，達到了152.00 MPa、9.87 GPa。

圖1 樹脂體積分數(shù)對苧麻織物/環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響

圖2 1%堿+3%偶聯(lián)劑處理苧麻織物對苧麻織物/環(huán)氧樹脂復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，從而提高纖維的強度[10]。堿處理時，纖維素表面的一些羥基會與堿溶液發(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形成氫鍵，氫鍵之間在一定溫度下會脫水發(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，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)氧樹脂復合材料的力學性能[11-13]。

3.3 苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料彎曲性能對比

圖3為苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料

圖3 苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料彎曲性能對比

彎曲性能的對比(苧麻、黃麻織物均經(jīng)過1%堿+3%偶聯(lián)劑復合處理，織物與環(huán)氧樹脂的體積比均為40∶60)，由圖3可以看出，苧麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料的彎曲性能優(yōu)于黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料，彎曲強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。同時黃麻織物的經(jīng)緯密小于苧麻織物，導致復合材料中存在大量的孔洞，當復合材料收到外力作用時，這些孔洞作為弱點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性能優(yōu)于黃麻纖維，因此，苧麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能遠遠優(yōu)于黃麻織物增強復合材料。

3.4 苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料微觀形貌

圖3為苧麻、苧麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料的彎曲斷面SEM照片。從圖3(a)可以看出，未處理的苧麻織物增強環(huán)氧樹脂復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)了嚴重的分層，較粗的黃麻紗線導致樹脂對纖維的浸潤性差，導致黃麻纖維和樹脂的結(jié)合性較差，力學性能低。

4 結(jié) 語

(1)隨著環(huán)氧樹脂體積分數(shù)的增加，復合材料的力學性能基本呈逐漸上升趨勢，當樹脂體積分數(shù)為60%時，復合材料力學性能達到最大值，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別為110.24 MPa、8.52 GPa、139.27 MPa、7.50 GPa。

圖4 苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂斷裂界面SEM電鏡圖

(2)堿+偶聯(lián)劑復合處理可以明顯提高復合材料的力學性能，經(jīng)過1%堿+3%偶聯(lián)劑處理的苧麻織物增強環(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)苧麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料的彎曲性能優(yōu)于黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復合材料，彎曲強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)劑復合處理后，苧麻織物增強環(huán)氧樹脂復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.

天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201410058081)，天津工業(yè)大學創(chuàng)新實驗室大學生創(chuàng)新項目(20140108)

2014-12-24)