劍麻纖維/聚合物復(fù)合材料研究進(jìn)展

楊 芳，于淑娟，朱永飛，龐錦英

（廣西師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

劍麻纖維/聚合物復(fù)合材料研究進(jìn)展

楊 芳，于淑娟，朱永飛，龐錦英

（廣西師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)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(qiáng)熱塑性聚合物及熱固性聚合物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能，指出了SF增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料今后的研究與發(fā)展方向。

劍麻纖維；聚合物；復(fù)合材料；表面處理；增強(qiáng)

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(jì)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(guó)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(xué)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(zhǎng)(1.0～1.4m)，色澤潔白，耐海水腐蝕，質(zhì)地堅(jiān)韌，密度小，拉伸強(qiáng)度和模量高，來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉[2-3]，因此，SF用于制備輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、價(jià)廉的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，并已引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注和競(jìng)相研究。本文主要對(duì)近5年來(lái)SF的表面處理方法及其對(duì)不同聚合物基體的改性進(jìn)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(dǎo)致SF/聚合物復(fù)合材料界面粘合性差，最終影響復(fù)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(duì)SF進(jìn)行表面改性，可改善劍麻與聚合物基體的相容性，提高復(fù)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(xué)處理方法，其目的都在于改善SF增強(qiáng)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(xué)成分，通過改變纖維表面形貌和結(jié)構(gòu)特性來(lái)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(duì)SF進(jìn)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(fù)合材料?？疾炝苏婵諚l件下熱處理溫度與時(shí)間對(duì)SF組成、結(jié)構(gòu)及復(fù)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(jī)理。結(jié)果表明，對(duì)SF進(jìn)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(shí)間有利于復(fù)合材料力學(xué)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(xì)變小，表面裂紋增多，增大比表面積，提高劍麻纖維的化學(xué)反應(yīng)性[6-7]。李展洪[8]采用蒸汽爆破預(yù)處理劍麻纖維(SESF)作為增強(qiáng)體，通過模壓成型制備聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/SESF復(fù)合材料，研究了SESF含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨SESF含量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)，而彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均提高。當(dāng)SESF含量為30%時(shí)，SESF與PBS基體材料界面結(jié)合比較緊密，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，比純PBS提高了15.5 %，而彎曲強(qiáng)度比純PBS提高了132.5%。但復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度均隨SESF含量的增加而降低。

此外，在SF與聚合物復(fù)合的時(shí)候，施以特殊的剪切力場(chǎng)或拉伸力場(chǎng)，也可達(dá)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(dòng)態(tài)保壓注塑成型技術(shù)( DPIM)，在加工過程中施加往復(fù)的剪切應(yīng)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(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度都明顯高于傳統(tǒng)工藝制備的復(fù)合材料。當(dāng)SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，動(dòng)態(tài)樣品拉伸強(qiáng)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(xué)處理方法

化學(xué)處理可以改變SF化學(xué)極性和組成，或在其表面引入新的官能團(tuán)，增加纖維與基體的親和性，改善界面性能，并最終提高復(fù)合材料的性能。方法主要有堿液處理、KMnO4處理、化學(xué)偶聯(lián)處理、乙酰化以及烷基化處理等。

劉婷[10]采用不同堿處理濃度、處理時(shí)間對(duì)SF進(jìn)行表面改性，制備SF/PP復(fù)合材料。研究了堿處理方法、含量對(duì)SF/PP復(fù)合材料力學(xué)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(fù)合材料的力學(xué)性能。在堿濃度為10%、處理4h、SF含量為20%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為15.78 kJ·m-2，達(dá)到最大值，而彎曲強(qiáng)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(yù)處理SF，再經(jīng)熔融共混制備PP/EPDM/SF復(fù)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(fù)合材料的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)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(duì)SF表面進(jìn)行乙?；⒐柰榛?、高錳酸鉀化及絲光處理，再經(jīng)熔融復(fù)合制備改性SF增強(qiáng)PLA生物降解復(fù)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(fù)合材料的力學(xué)性能提高。其中，經(jīng)乙?；幚淼腟F/PLA復(fù)合材料具有最大的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、耐水性及最小的降解率。

李肖建[14]通過對(duì)SF進(jìn)行預(yù)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(duì)產(chǎn)物進(jìn)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(zhǎng)徑比，長(zhǎng)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(dá)337℃，比SF要高60 ℃。

2 SF增強(qiáng)不同基體復(fù)合材料

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

2.1 SF增強(qiáng)熱塑性聚合物

SF增強(qiáng)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(fù)合材料，考察了復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能、形態(tài)及吸水性，同時(shí)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(lái)酸酐接枝PP、MAPP）對(duì)復(fù)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(fù)合體系的力學(xué)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(duì)于復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最明顯。隨SF含量增加，SF/PP復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度、模量及吸水性增加，沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低。

Zhao Xuefeng[16]考察了纖維含量、界面相容劑對(duì)SF增強(qiáng)高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加SF和相容劑（馬來(lái)酸酐接枝HDPE、MAPE）的含量，可提高復(fù)合材料的力學(xué)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(fù)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(xué)性能。結(jié)果表明，通過石墨對(duì)SF包覆改性，提高了復(fù)合材料的屏蔽效能。當(dāng)改性劍麻含量大于10%時(shí)，隨其含量增加，復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能均提高，而改性SF含量對(duì)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(fù)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(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)。當(dāng)SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)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(fù)合材料的磨損機(jī)制主要是疲勞磨損，并伴隨轉(zhuǎn)移膜的剝落。

2.2 SF增強(qiáng)熱固性聚合物

目前SF增強(qiáng)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(qiáng)環(huán)氧樹脂，并研究了復(fù)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(shí)，復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大，說明纖維的單軸取向可提高材料的力學(xué)性能。

趙立波[20]采用堿液、高錳酸鉀及熱處理分別對(duì)劍麻纖維布進(jìn)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(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料。研究了不同劍麻纖維布表面處理方法對(duì)其不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料力學(xué)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(qiáng)復(fù)合材料的界面性能得到改善，從而較大改善其力學(xué)性能及吸水性，拉伸強(qiáng)度分別提高26.5%、25.4%和14.1%，彎曲強(qiáng)度分別提高16.5%、8.6%和7%，沖擊強(qiáng)度分別提高22.6%、16.2%、4.1%。經(jīng)NaOH處理的復(fù)合材料的吸水率降低了47.5%，KMnO4處理可以大大縮短吸水達(dá)到平衡的時(shí)間。

曾銘[21]采用堿、硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)對(duì)SF進(jìn)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(fù)合材料，研究納米SiO2的加入及SF處理方式對(duì)SF/PF復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)、蠕變、應(yīng)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(fù)合材料的儲(chǔ)能模量達(dá)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(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、蠕變和應(yīng)力松弛性能。納米SiO2的加入及對(duì)SF改性均能顯著提高SF/PF 復(fù)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(qiáng)度高、價(jià)格低廉，可降低復(fù)合材料的成本。因此大力發(fā)展劍麻等植物纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料及其制品的應(yīng)用研究，對(duì)于充分利用我國(guó)豐富的資源優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)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(fù)合時(shí)的相容性問題，以盡可能提高復(fù)合材料的綜合性能，實(shí)現(xiàn)SF增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在軍事和民用各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019300）；廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合成與天然功能分子化學(xué)（廣西師范學(xué)院）開放課題

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

2015-02-12