堿處理對苧麻醋酸纖維素復(fù)合材料的影響

1、文章編號:100023851(20020620130204收稿日期:2002203209;收修改稿日期:2002205213基金項目:陜西省自然科學(xué)計劃(98C 30;陜西省教委專項科學(xué)研究基金(99JK 235作者介紹:王俊勃(19662,男,碩士,教授,主要從事紡織復(fù)合材料研制及性能研究。通訊作者:王俊勃,E 2m ail :w angjb sohu .com堿處理對苧麻醋酸纖維素復(fù)合材料的影響王俊勃1,鄭水蓉2,趙川1,楊敏鴿1,孫曼靈2(1.西安工程科技學(xué)院教務(wù)處,西安710048;2.西北工業(yè)大學(xué)化工系,西安710072摘要:通過優(yōu)化堿處理工藝條件改善苧麻纖維結(jié)構(gòu)和性能,同時對醋酸纖

2、維素進(jìn)行改性處理,制備了苧麻纖維增強(qiáng)醋酸纖維素復(fù)合材料。通過性能測試和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn):堿處理既提高苧麻纖維強(qiáng)度和模量,又對苧麻纖維有韌化作用,還提高纖維表面的吸附能力,從而提高苧麻纖維醋酸纖維素基復(fù)合材料剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。關(guān)鍵詞:堿處理;苧麻;醋酸纖維素;復(fù)合材料中圖分類號:TB 332;T S 102文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AEFFECT OF AL KAL INE TREAT M ENT ON RAM IE CELL ULOSE ACETATE COM POSITESW AN G Junbo 1,ZH EN G Shu irong 2,ZHAO Chuan 1,YAN G M inge 1,SU

3、N M an ling2(1.A cadem ic Service ,X i an U n iversity of Engineering Science and T echno logy ,X i an 710048,Ch ina ;2.Chem ical Engineering D epartm en t ,N o rthw estern P loytechn ical U n iversity ,X i an 710072,Ch ina Abstract :By an op ti m izati on p rocessing of alkaline treatm ent to i m p

4、 rove the structure and p roperties of ram ie fibers ,and by introducing som e additives into the cellulo se acetate to i m p rove its p rocessability ,a new kind of compo site ,ram ie fiber reinfo rced cellulo se acetate ,w as fabricated .The results show that the tensile strength ,ten 2sile modulu

5、s ,toughness and surface adso rp ti on ability of the ram ie fiber can be i m p roved w hen the ram ie fiber is treated w ith N aOH ,and that the shear strength and bend strength of ram ie fiber reinfo rced cellulo se acetate com 2po sites are modified .Key words :alkaline treatm en t ;ram ie ;cellu

6、 lo se acetate ;com po site植物纖維來源豐富,價格低廉,易降解,無污染,是很有前景的復(fù)合材料原料,尤其麻纖維以其獨特的性能特點引起人們的關(guān)注1。國內(nèi)外在這一相關(guān)方面己做了大量的工作,德國、日本、香港等地均對麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行過研究,并應(yīng)用到汽車、建筑等不同領(lǐng)域。苧麻纖維為纖維素纖維,俗稱中國草,我國產(chǎn)量占世界第一,具有高強(qiáng)低伸(拉伸強(qiáng)度870M Pa ,斷裂伸長1.2%2,3,尤其比強(qiáng)度接近玻璃纖維,可紡性差,其自身就是天然的復(fù)合材料。醋酸纖維素是纖維素變性處理得到的樹脂,其原料來源豐富。若以苧麻纖維為增強(qiáng)相,醋酸纖維素為基體研制環(huán)境意識全纖維素復(fù)合材料,將開辟一

7、個全新的領(lǐng)域。極性的纖維素纖維從本質(zhì)上來說很難與C 2H 聚合物相溶,增強(qiáng)用纖維與基體聚合物兩種材料不相溶時,就難以形成增強(qiáng)復(fù)合材料。有效的辦法是改善兩種材料(或其中一種的表面性能。苧麻纖維的改性處理的方法主要有兩大類:一類為化學(xué)改性;另一類是物理改性(主要有等離子刻蝕的方法3,4。要想在提高復(fù)合材料界面性能的同時不損失力學(xué)性能,堿法變性是首選的方法,即通過N aO H 與苧麻纖維素相互作用生成堿纖維素。本文作者在對苧麻進(jìn)行改性的基礎(chǔ)上,采用纖維素類樹脂醋酸纖維素為基體,研制一種新型的環(huán)境意識全纖維素復(fù)合材料苧麻醋酸纖維素復(fù)合材料,并探討堿處理對復(fù)合材料的影響。復(fù)合材料學(xué)報A CTA M A

8、T ER I A E COM PO S ITA E S I N I CA 第19卷第6期12月2002年V o l .19N o.6D ecem ber 20021實驗研究1.1原材料和使用儀器本研究中使用的原材料和儀器見表1。表1原材料和使用儀器Table1Raw ma ter i a ls and i n stru m en ts名稱規(guī)格產(chǎn)地苧麻布36×36×244×244湖南洞庭湖芒麻紡織印染廠醋酸纖維素Q CYD E226229上?；瘜W(xué)試劑站分裝廠鄰苯二甲酸二甲酯分析純成都市聯(lián)合化工試劑廠電子萬能實驗機(jī)CSS21110前東德材料實驗機(jī)Z M Gl250前東

9、德沖擊試驗機(jī)XCJ240河北省承德市材料實驗機(jī)廠82流變儀XYL2II型吉林大學(xué)科教儀器廠掃瞄電子顯微鏡AM RA Y2100013U SA85綜合熱分析儀ZR Y21P1.2苧麻堿處理利用正交實驗法優(yōu)化設(shè)計苧麻纖維堿處理工藝,通過變性前后拉伸性能的測試、細(xì)度的測試和顯微觀察,對纖維的斷裂強(qiáng)度、伸長率和纖維表面及截面形狀的變化進(jìn)行分析,確定了堿處理變性處理的工藝條件,所得纖維、紗線和織物性能見表2,表3。堿處理工藝條件如下:表2最佳堿處理實驗條件下苧麻纖維性能Table2Ram ie f iber properties underopti m u m a lka li ne trea t m

10、en t性能強(qiáng)度(CNdtex-1伸長mm模量(CNdtex-1堿處理(最小最大6.98010.3540.3080.766135.134226.623處理過程:配堿溶液麻纖維(或麻線張緊纖維浸堿水洗脫堿酸浴脫堿水洗脫水晾干。1.3醋酸纖維素的改性醋酸纖維素的成型工藝性差,須加入增塑劑改善其成型性。醋酸纖維素常用增塑劑有鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸二乙酯和鄰苯二甲酸二丁酯,它們均與醋酸纖維素有良好的相溶性(溶解度參數(shù)相近,能滲透到樹脂的分子之間,增大分子之間的距離,從而降低樹脂分子之間引力,提高樹脂流動性。為使醋酸纖維素有最佳的復(fù)合成型工藝,通過流變性試驗和差熱分析對鄰苯二甲酸二甲酯、鄰苯二甲酸

11、二乙酯和鄰苯二甲酸二丁酯三種增塑劑對醋酸纖維素的作用和影響進(jìn)行了對比研究。發(fā)現(xiàn)三種增塑劑對醋酸纖維素的增塑效率相近,但從流變性試驗結(jié)果看(見圖1,鄰苯二甲酸二甲酯為增塑劑的醋酸纖維素粘流態(tài)轉(zhuǎn)變度最低,有利于成型和防止苧麻高溫脆化 。圖1鄰苯二甲酸酯增塑醋酸纖維素流變曲線F ig.1R heo logy curves of ph thalate p lasticized cellulo se acetate1.4醋酸纖維素復(fù)合材料成型工藝醋酸纖維素復(fù)合材料采用干法模壓法成型,通過流變性試驗、差熱分析、不同壓力和纖維體積含量的對比試驗分析,確定成型工藝如下:表3苧麻堿處理前后紗線與織物的性能Tab

12、le3Ram ie yarn and fabr ic properties of before and af ter a lka li ne trea t m en t織物徑向緯向31.68331.683481.40509.004.925.90240.58254.37堿處理織物(徑向加載徑向緯向31.47531.475627.60551.2520.9016.10296.56266.21131王俊勃,等:堿處理對苧麻醋酸纖維素復(fù)合材料的影響(1壓制工藝:壓制溫度,175185;壓制時間,20m in ;壓制壓力,1.5M Pa 。(2工藝流程:配膠(用丙酮溶融刮膠或浸膠制作預(yù)浸料放入烘箱烘干(8

13、52h 升溫壓制恒溫保壓自然冷卻脫模、去毛邊裁件、測試。2性能測試與結(jié)果分析彎曲強(qiáng)度采用GB 1449-83,試樣尺寸:2mm ×15mm ±0.5mm ×40mm ,跨距30mm 。層間剪切強(qiáng)度采用GB 335782,試樣尺寸:2mm ×6mm ±0.5mm ×20mm ,跨厚比l h =6。將彎曲試樣斷面打開,噴鍍碳膜后用掃描電鏡(SE M 觀察斷面形貌。2.1苧麻纖維堿處理前后性能對比通過堿處理,苧麻纖維截面膨脹趨圓,中間孔洞明顯增大,纖維壁厚增加(見圖2。從表2和表3中苧麻纖維、紗線和織物的力學(xué)性能可見,堿處理在提高苧麻纖維、

14、紗線和織物強(qiáng)度及模量的同時,伸長率也得到提高 ,尤其模量提高較大,纖維模量提高圖2堿處理前后苧麻纖維截面形貌(400×F ig .2R am ie fiber secti on pho tograph of befo reand after alkaline treatm ent16.8696.06%,紗線模量提高37.2%。一般來說,強(qiáng)度和模量的提高都是以損失柔韌性為代價的。這里兩者同時提高可以從兩個方面說明,一方面由于苧麻纖維堿處理后形成纖維素鈉鹽(纖維素2ON a ,由于鈉離子強(qiáng)烈的水化能力,將大量的水分帶入纖維素內(nèi)部,纖維結(jié)構(gòu)中部分晶區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形區(qū),纖維的剛度、強(qiáng)度將有所下

15、降,柔韌性和纖維表面的吸附性能提高。另一方面,堿處理引起纖維發(fā)生不可逆的劇烈溶脹,纖維截面形態(tài)發(fā)生變化(見圖2,截面由腰圓膨脹趨圓,纖維內(nèi)胞腔增大,使纖維從接近實心的腰圓變?yōu)榭招牡膱A形,從而提高纖維的剛度和強(qiáng)度。因此,本研究中通過優(yōu)化堿處理工藝,使纖維截面保持較大的空心圓形,在提高柔韌性的同時從截面形態(tài)上提高纖維剛度和強(qiáng)度,抵消纖維結(jié)構(gòu)變化引起的剛度和強(qiáng)度的降低。同時堿處理中纖維張緊,防止了纖維遇堿在長度上的收縮, 給纖維以預(yù)張力,可進(jìn)一步提高纖維的強(qiáng)度。圖3苧麻復(fù)合材料彎曲斷口SE M 形貌電鏡照片F(xiàn) ig .3SE M pho tograph of bend fracture surfac

16、e ofram ie fabric reinfo rced compo site231復(fù)合材料學(xué)報表4苧麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能Table4M echan ica l properties of ram ie f iber re i nforced co m posites織物V f%成型壓力M Pa溫度剪切性能強(qiáng)度M PaC V%彎曲性能強(qiáng)度M PaC V%增塑劑2.2苧麻醋酸纖維素復(fù)合材料性能測試不同成型條件下的復(fù)合材料性能見表4。從表4可見,堿處理后,復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度明顯改善。從圖3復(fù)合材料彎曲斷口SE M形貌可見,堿處理后復(fù)合材料中纖維的斷裂為明顯韌性撕裂,進(jìn)一步說明堿處理對纖維有增強(qiáng)和韌化作用,未堿處理復(fù)合材料中纖維為脆性斷裂。從圖3看,苧麻布堿處理比未堿處理苧麻布復(fù)合材料纖維表面有較多的基體與纖維剝離留下的纖維細(xì)絲分離,這說明纖維和基體脫落是界面粘結(jié)牢固而纖維撕裂,另外在苧麻布堿處理的纖維束表面有因堿處理脫去部分果膠而使纖維表面出現(xiàn)裂紋,增加了纖維和樹脂的物理結(jié)合,進(jìn)一步提高了界面強(qiáng)度,使剪切強(qiáng)度得到了提高。3結(jié)論堿處理既提高苧麻纖維的強(qiáng)度、模量和表面吸附性