黄麻纤维毡的表面处理及其增强聚丙烯复合材料的力学性能

复合材料学报第23卷 第5期 10月 2006年Ac ta Mate riae Co mpo s itae Sinic aVol 123No 15October2006文章编号:10003851(2006)05006307收稿日期:20051026;收修改稿日期:20060223通讯作者:戴干策,教授,从事聚合物改性和热塑性复合材料方面的研究工作 E 2mail:gcdai@黄麻纤维毡的表面处理及其增强聚丙烯复合材料的力学性能刘晓烨,戴干策*(华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海200237)摘 要: 提出了一种新的纤维表面处理方法和工艺,将MP P 乳液引入黄麻纤维的表面处理。

考察了NaOH 处理对黄麻纤维吸湿性和热稳定性的影响,研究了NaOH 溶液及NaOH 溶液和MP P 乳液组合处理对黄麻纤维毡增强聚丙烯复合材料力学性能的影响。

结果表明:黄麻经NaOH 处理后,吸湿率降低,热稳定性提高;黄麻纤维毡增强聚丙烯复合材料的力学性能明显提高,表面涂覆MPP 乳液后,力学性能更进一步改善。

关键词: 黄麻;聚丙烯;MP P 乳液;力学性能中图分类号: TB332;TQ32719 文献标识码:APretreatment of jute fiber and the mechanical properties ofjute fiber mat reinforced polypropyleneLIU Xiaoye,DAI Gance *(East China Univer sity of Science and Technology,State 2Key Labor ator yof Chemical Engineering,Shanghai 200237,China)Abstr act: A new method of pretr eatment of jute fiber is put forward,where MPP emulsion was used in the pre 2tr eatment.Several issues were studied including the effects of pretreatment of jute f iber with alkali solution on the moisture and ther mal stability as well as the effects of pr etreatment of jute fiber with alkali solution and combination of alkali solut ion and MPP emulsion on the mechanical propert ies of the jute fiber mat r einforced polypropylene.The results show that the moist ur e and thermal stability of the jute fiber ar e improved and the mechanical pr operties of jute fiber mat reinfor ced polypr opylene are obviously incr eased after t reating with alkali solution.T he mechanical pr operties of the com posites ar e even better after tr eating with combination of alkali solution and MPP emulsion.Keywords: jute;polypropylene;MP P emulsion;mechanical pr operties纤维增强复合材料以其优异的性能得到了越来越多的应用。

与玻璃纤维及碳纤维相比,各种天然纤维(如麻纤维、竹纤维、甘蔗渣纤维等)具有价廉、可回收、可降解、可再生等优点,其复合材料的研究与开发应用,近年来成为人们对材料研究开发的热点之一[1,2]。

根据Kline &Company 公司的研究报告,2000年北美天然纤维复合材料的市场为1.5亿美元,到2005年将增长到14亿美元,年增长率为54%;欧洲的天然纤维复合材料在2000~2005年间的年增长率也将达到50%,到2005年,天然纤维的需求量将达到5千万公斤。

天然纤维复合材料的应用前景十分广阔。

天然纤维复合材料以其机械性能高、质轻、环保等优点在建筑业、汽车工业等方面已经有非常广泛的应用。

其力学性能尤其是模量已经与一些常见的玻璃纤维增强复合材料相当,在某些方面已经可以完全取代玻璃纤维增强复合材料。

北美发展天然纤维复合材料的75%用于室外建材,如屋顶、垫片、室外阳台、近海建筑等,同时在汽车、基本建设和民用产品中的应用也在逐年增长。

欧洲汽车工业大力发展天然纤维复合材料,有资料显示,欧洲2005年要实现每一辆汽车的85%由可回收材料制造。

很多汽车厂商不断加大天然纤维复合材料的用量,如福特、三菱等厂商用其作为车门嵌入物及内饰件,奔驰用天然纤维复合材料制造卡车空调盖,大众公司用它们来制造车内地板和油箱盖,宝马公司用它们来制造行李箱体等。

国内近年来天然纤维复合材料也发展迅速,已有厂家将木塑产品和汽车用内饰件产品推向市场。

本文作者以黄麻纤维作为增强材料,聚丙烯作为基体。

黄麻增强热固性树脂的研究[3,4]已有报道,郑融等人研究了黄麻单向纤维和随机分布短纤维增强环氧树脂复合材料,测试了拉伸、压缩、弯曲、层间剪切以及冲击性能[3]。

发现黄麻/环氧的力学性能(除单向纤维复合材料的横向性能外)优于常用的木碎板(拉伸强度15~18MPa,拉伸模量110~2.4GPa)。

曾竟成等人用黄麻增强环氧树脂、不饱和树脂和酚醛树脂制造复合材料层压板,研究了其力学性能,并与玻璃纤维复合材料进行了比较[4]。

认为黄麻增强热固性复合材料的单向力学性能与玻璃纤维增强复合材料相当,其比性能也与玻璃纤维布增强复合材料相当。

随着环境保护意识的日益增强,天然纤维增强热塑性复合材料的研究也逐渐成为新兴的研究内容。

国外在黄麻增强复合材料方面的研究进行得较早[5],天然纤维表面处理也是重点的研究内容[629],其中所常用的纤维处理方法包括碱处理、偶联剂处理以及MPP(Maleic an 2hydride gr afted polypropylene 马来酸酐接枝聚丙烯)处理等。

其他方法包括接枝共聚、乙酰化处理和异氰酸盐处理等。

Mohanty 等人用碱液处理麻纤维后发现,纤维束分散,表面变得粗糙,增加了表面积,纤维热性能提高,材料的力学性能有了明显的改善;运用粉末浸渍技术研究MPP 的二甲苯溶液处理麻纤维后发现,MPP 的偶联作用明显,可以较大程度地改善材料的力学性能。

考虑到处理过程的环保性,也有人使用MPP 的乳液和硅烷偶联剂进行处理,力学性能尤其是弯曲性能有了很大的改善,而且证明组合处理比单独用硅烷处理更有效。

本文中用NaOH 和MPP 乳液组合处理黄麻纤维,研究了碱处理以及碱和MPP 乳液组合处理对黄麻纤维微观结构的影响;采用薄膜和毡体层叠压制技术制备了黄麻毡增强聚丙烯复合材料,讨论了碱处理及碱和MPP 乳液组合处理对复合材料力学性能及微观结构的影响。

1 材料与实验1.1 实验材料黄麻纤维以纤维毡的形式作为增强材料使用。

纤维平均长度4~5cm,直径在30~100L m 之间。

基体树脂为聚丙烯,牌号Y3700,上海金山石油化工总厂生产。

NaOH 为上海菲达工贸有限公司生产的AR NaOH 。

处理纤维所用相容剂马来酸酐接枝聚丙烯乳液(MPP emulsion)为实验室自制,接枝率5%左右(接枝率测试用酸碱滴定法)。

MPP 分子结构式如下:1.2 纤维的表面处理黄麻纤维毡的处理过程如下:在20e 、标准大气压下将黄麻毡浸入预先配制好的处理液中,并在纤维毡上反复施加一定的压力使处理剂溶液能够充分渗入纤维毡内部,保证充分接触并反应。

1h 后,将纤维毡从溶液中取出,用去离子水进行反复清洗,将表面未反应的残余溶液洗去,然后将纤维毡放入鼓风烘箱中,在60e 下连续干燥24h,再放入真空干燥箱中进行充分干燥,直至不减重为止。

放入密闭容器中备用。

在进行表面处理的过程中发现,直接用MPP 乳液处理麻纤维并烘干后,MPP 微颗粒不能很好地附着在麻纤维的表面,造成一定程度的MPP 的损失。

因此先用NaOH 溶液处理麻纤维,将表面的蜡质和杂质除去,增加纤维表面粗糙度,增大与MPP 颗粒的物理吸附,再用MPP 乳液处理麻纤维。

1.3 实验仪器与设备麻纤维毡增强聚丙烯复合材料(NMT)的制备采用薄膜和毡体层叠压制技术(Film stacking tech 2nology),将聚丙烯原料制成0.7mm 厚的薄膜与麻纤维毡交替层叠放入成型压机中,设定成型温度为190~200e ,成型压力为5MPa 。

材料力学性能在CMT 4204型万能试验机和XJU 222型冲击试验机上进行测试。

材料的拉伸试样、弯曲试样和冲击试样分别根据ASTM D638、AST M D790和A ST M D256标准制样。

材料断面形态观测在JSM 26360LV 型扫描电子显微镜上进行。

红外分析采用Nicolet Magna IR550型FT IR 红外测试仪测定,扫描范围4000~450cm -1,分辨率2cm -1。

TGA 采用Thermal Analyst 2000型热#64#复合材料学报分析仪进行测定,升温速率为10e /min,气氛为空气。

2 测试结果和讨论2.1 麻纤维热性能对黄麻纤维进行热失重分析(TGA),图1显示出黄麻的降解主要分以下4个阶段进行:(1)温度在45~120e 之间时,主要是纤维中纤维素吸附的水分进行脱水;(2)温度在120~210e 之间时,纤维素结构中的某些葡萄糖单元开始脱水;(3)温度在210~310e 之间时,纤维素结构中的糖苷键开始断裂,一些C )O 键和C )C 键也开始断裂,并产生一些低分子量的挥发性化合物;当温度大于310e 后,纤维开始分解碳化,逐步形成石墨结构[10]。

由于极性羟基的大量存在,导致天然纤维吸湿率较高,和非极性的聚丙烯相容性不好,界面粘结性较差。

经过碱处理后,表面羟基减少,吸湿率降低,增加了和聚丙烯的相容性,改善了界面结合。

因此,麻纤维表面大量的羟基是造成其和聚丙烯界面粘结差的主要原因。

从图1中热失重曲线可以看出,当温度低于150e 时,黄麻纤维未处理时失重为12.01wt%,经过2%、5%和10%NaOH 溶液处理后失重分别为7.26wt%、11.29wt%和9.27wt%。