不飽和聚酯_劍麻纖維復(fù)合材料的制備及其耐磨性能_圖文

1、第25卷第2期桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.25No.2 2005年4月JOURNAL OF G U I L I N UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGYAp r12005文章編號(hào):1006-544X(200502-0198-04不飽和聚酯/劍麻纖維復(fù)合材料的制備及其耐磨性能牟秋紅a,韋春a,歐錦秀b,盧熾華a,鐘錦彪a,楊小王a(桂林工學(xué)院,a1材料與化學(xué)工程系;b1資源與環(huán)境工程系,廣西桂林541004摘要:采用堿處理、熱處理、堿熱處理、熱-堿處理、乙?；幚怼⑶枰一幚?、高錳酸鉀處理以及T D I和偶聯(lián)劑處理等不同的物理和化學(xué)方法對(duì)劍麻纖維(SF進(jìn)行處理,然后將SF細(xì)化,與

2、不飽和聚酯塑料共混,通過模壓成型方式制成不飽和聚酯/劍麻纖維復(fù)合材料.研究表明:固定劍麻纖維的用量,采用化學(xué)方法處理的SF,其復(fù)合材料比采用物理方法處理時(shí)材料的耐磨性能好,尤以T D I處理方法為最好,復(fù)合材料耐磨性比未處理體系提高了68177%;復(fù)合材料的耐磨性能隨劍麻纖維含量的增大而變好.關(guān)鍵詞:劍麻纖維;不飽和聚酯;表面處理;耐磨性能中圖分類號(hào):T Q323142;S56318;T Q327文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A聚合物基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、耐沖擊、耐腐蝕和耐磨損等優(yōu)良性能,以及其可設(shè)計(jì)性、易加工性,目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、化工及建筑等工業(yè)部門1.隨著高性能電器對(duì)產(chǎn)品體

3、積、可靠性、長(zhǎng)壽命、耐磨性等性能要求的不斷提高,傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF增強(qiáng)電工塑料在耐磨性方面仍有差距.實(shí)際使用中常用無(wú)機(jī)粒子作為改性填料來(lái)提高其耐磨性2,而天然植物纖維在這方面的應(yīng)用較少.劍麻(Sisal是一種多年生的天然硬質(zhì)纖維作物.劍麻纖維(SF是取自于劍麻葉片中的維管束纖維,具有質(zhì)地堅(jiān)韌、拉力強(qiáng)、耐摩擦、耐酸堿、耐海水腐蝕以及耐低溫等特點(diǎn),傳統(tǒng)上主要用于制造繩索、麻袋、編織地毯、織布以及造紙等,但這些產(chǎn)品對(duì)劍麻纖維的利用水平較低,附加價(jià)值不高.由于SF價(jià)格低廉、比強(qiáng)度和比模量高,可作為聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料.近年來(lái),劍麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的研究工作已有很多報(bào)道3,4,但由于SF吸

4、水性大、與樹脂基體的反應(yīng)性低,所以未經(jīng)處理的劍麻纖維與樹脂基的界面粘結(jié)不理想,導(dǎo)致材料的力學(xué)性能不高,從而限制了劍麻/樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用.筆者對(duì)劍麻纖維進(jìn)行了物理化學(xué)改性,制備了不飽和聚酯/劍麻纖維復(fù)合材料,分析了劍麻纖維處理方法及用量與復(fù)合材料耐磨性的關(guān)系.1實(shí)驗(yàn)部分111原材料SF為束狀白色長(zhǎng)纖,廣西劍麻集團(tuán)公司提供,使用前剪成35c m,80烘干;不飽和聚酯塑料(UP,PE410型,廣西桂林電器科學(xué)研究所生產(chǎn);丙烯腈,化學(xué)純,上海市試劑三廠生產(chǎn);K M2 nO4,化學(xué)純,廣州試劑三廠生產(chǎn);冰醋酸,分析純,廣州試劑三廠生產(chǎn);T D I,分析純,廣州新港化學(xué)試劑廠生產(chǎn);硅烷偶聯(lián)劑,KH55

5、0型,武漢有機(jī)硅材料股份有限公司生產(chǎn).112S F的表面處理對(duì)SF的改性方法包括以下幾種,所有處理方法的浴比都控制在125.(1堿處理:將SF絲束浸泡于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同的Na OH溶液中,室溫下處理4h.烘干備用.收稿日期:2004-09-06基金項(xiàng)目:廣西區(qū)教育廳科研資助項(xiàng)目(桂教科研200420;廣西區(qū)學(xué)位委員會(huì)2003年學(xué)位授權(quán)點(diǎn)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:牟秋紅(1979-,女,碩士研究生,研究方向:劍麻纖維/聚合物共混及復(fù)合材料.E2mail:gl weichuntom1com.(2熱處理:將SF絲束置于烘箱中180熱空氣處理4h,烘干備用.(3熱-堿處理:SF絲束先經(jīng)過18

6、0熱空氣處理4h,再用5%的Na OH溶液室溫浸泡4h,水洗至中性,烘干備用.(4堿-熱處理:SF絲束先經(jīng)過5%的Na OH溶液80下處理4h,水洗至中性、晾干,再在150熱空氣中處理4h.(5K M nO4處理:堿處理過的SF在011%的K M nO4丙酮溶液中浸泡2h,烘干備用.(6氰乙基化處理:堿處理過的SF于95%的丙烯腈溶液中45下處理2h,烘干備用.(7T D I處理:堿處理后的SF置于CCl4溶液中,滴液漏斗滴加少量T D I,攪拌1h以上直至完全滴完,烘干備用.(8偶聯(lián)劑處理:在95%的乙醇水溶液中,用醋酸調(diào)節(jié)其pH值在415515,邊攪拌邊加入150(體積比的KH-550型硅

7、烷,水解5m in后,放入堿處理后的SF浸漬2h,烘干備用.(9乙?；幚?將堿處理后的SF放入11 (體積比的醋酸溶液中浸泡2h,烘干備用.113復(fù)合材料的制備將處理后的SF粉碎細(xì)化,按一定比例加入到UP中混合均勻,在煉塑機(jī)上輥煉,使物料進(jìn)一步混勻.然后將物料粉碎,通過模壓成型方式制成樣品.工藝條件:加料溫度,150;成型溫度,150160;成型壓力515MPa;固化時(shí)間,4m in.114儀器及方法按照G B3960-83標(biāo)準(zhǔn)5,在MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試復(fù)合材料的摩擦磨損性能.摩擦偶件為40mm×16mm×10mm的CCr15(HRC60 62,摩擦試樣尺寸為4m

8、m×10mm×30mm.摩擦磨損試驗(yàn)條件為:室溫2025,大氣干摩擦,空氣相對(duì)濕度 50%,載荷為15kg,對(duì)偶環(huán)轉(zhuǎn)速為200r/m in,軸向擺動(dòng)16次/m in,磨損時(shí)間40m in.每次摩擦磨損之前,偶件均經(jīng)過拋光處理.磨損量用體積磨損V(單位:c m3來(lái)表示,由公式V=(m1-m2/計(jì)算出磨損體積.式中:m1,m2分別為磨損前后試樣質(zhì)量,g;為試樣密度,g/cm3.采用N iKan3型偏光顯微鏡觀察復(fù)合材料內(nèi)部形態(tài)并拍照,樣品預(yù)先經(jīng)過磨片處理.2結(jié)果與討論211S F物理處理方法對(duì)材料摩損性能的影響采用不同的物理化學(xué)方法處理SF,固定SF用量為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同

9、,測(cè)試復(fù)合材料的耐磨性(表1.表1S F物理處理方法對(duì)S F/U P復(fù)合材料耐磨性的影響Table1Effect of different physical methods on the wearresistance of the SF/UP compositi on處理方法m1/g m2/g(m1-m2/g V/(10-2c m3未處理堿處理熱處理熱-堿處理堿-熱處理1.8691.9761.9211.8832.0271.8181.9401.8811.8541.9970.0510.0360.0400.0290.0302.6292.1102.3391.7021.645由表1可知,SF的物理處理方

10、法對(duì)復(fù)合材料耐磨性的影響較大.熱-堿處理和堿-熱處理材料的磨損體積分別為1.702和1.645,與未處理時(shí)的21629相比,耐磨性高出了35.26%和37.43%.而堿處理和熱處理的磨損體積分別為2.110和2.339,雖然均比未處理時(shí)小,但材料耐磨性變化不大.這主要是因?yàn)?堿處理雖然能除去纖維中部分果膠、木質(zhì)素和半纖維素等低分子雜質(zhì),使SF分子取向提高,但是并不能改變纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu).同樣,200以下熱處理,只除去纖維中可能吸附的水分和低沸點(diǎn)物質(zhì),或在150以下分解的物質(zhì),使SF結(jié)晶完善程度提高,對(duì)SF分子結(jié)構(gòu)也沒有影響4.熱-堿處理和堿-熱處理正是綜合了兩種處理方法的優(yōu)點(diǎn),從而使復(fù)合材料的耐

11、磨性有了明顯提高.212S F化學(xué)處理方法對(duì)材料磨損性能的影響采用不同的化學(xué)方法處理SF,固定其用量為30%,測(cè)試復(fù)合材料的耐磨性.由表2可知,對(duì)SF的化學(xué)表面處理使復(fù)合材料的耐磨性得到了較大提高,處理過的SF復(fù)合材料體系的耐磨性均高于未處理體系.其中采用T D I 表2S F化學(xué)處理方法對(duì)S F/U P復(fù)合材料耐磨性的影響Table2Effect of different chem ical methods on the wearresistance of the SF/UP compositi on處理方法m1/g m2/g(m1-m2/g V/(10-2c m3未處理K MnO4處理氰乙

12、基化處理T D I處理乙酰化處理偶聯(lián)劑處理1.8692.0252.2522.1691.9932.1341.8181.9892.2332.1541.9702.0980.0510.0360.0190.0150.0230.0362.6291.9741.0420.8211.3492.112991第25卷第2期牟秋紅等:不飽和聚酯/劍麻纖維復(fù)合材料的制備及其耐磨性能處理的耐磨性最好,比未處理時(shí)提高了68177%.其它處理方法如氰乙基化處理、乙酰化處理、K M nO 4處理和偶聯(lián)劑處理,其耐磨性分別比未處理時(shí)提高了60137%,48169%,24191%和19167%.分析其原因:氰乙基化處理和乙?；幚?/p>

13、分別在SF 分子鏈上引入了新官能團(tuán),降低了SF 與基體的表面張力,從而提高了纖維與基體的粘合作用;T D I 處理時(shí)SF 中的OH 與T D I 中的NC O 反應(yīng)形成了共價(jià)鍵,增強(qiáng)了樹脂與基體的界面偶合作用;偶聯(lián)劑KH550中含有氨基,它的烷氧基水解后產(chǎn)生的OH 與SF 表面的OH 形成氫鍵而覆蓋在SF 表面,活性氨部分可以與基體反應(yīng)生成共價(jià)鍵,有助于形成SF 與基體界面的良好結(jié)合;K M nO 4處理則可以引發(fā)基體與SF 發(fā)生接枝聚合反應(yīng).總之,化學(xué)表面處理改變了SF 表面的化學(xué)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了纖維與基體的粘合,有利于纖維的均勻分散,從而使材料的耐磨性得到提高.213S F 用量對(duì)復(fù)合材料耐磨

14、性的影響將堿處理(2%Na OH 溶液,80處理4h 過的SF,分別以10%,20%,25%,30%,40%的比例加入U(xiǎn)P,制成復(fù)合材料并測(cè)試其耐磨性.從圖1中可知,當(dāng)w (SF 為10%,20%,25%,30%,40%時(shí),復(fù)合材料體系的磨損體積分別為21156,21924,31283,21161和11681.隨著SF 量的增加,復(fù)合材料的磨損體積減小,這說明復(fù)合材料的耐磨性隨著SF 的增加變好.由于SF 質(zhì)地堅(jiān)韌、耐摩擦,加入樹脂以后,纖維支撐了磨損接觸面之間的部分載荷, 因此提高了復(fù)合材料的耐磨性.圖1S F 用量對(duì)S F /U P 復(fù)合材料耐磨性的影響Fig 11Effect of SF

15、 loading on the wear resistanceof the SF /UP composition214復(fù)合材料形貌的S E M 與POM 分析圖2為SF 采用氰乙基化處理,用量為10%的SF /UP 復(fù)合材料磨面的掃描電鏡照片.從圖可知,復(fù)合材料的整個(gè)磨損表面呈凹凸不平特征且有明顯的非連續(xù)性小犁溝存在,同時(shí)還可以看到因材料剝落或粘著在磨損表面只形成輕微的撕裂,并未產(chǎn)生大面積的撕裂紋(圖2b .表明復(fù)合材料的磨損機(jī)制應(yīng)該是輕微的磨粒磨損,此時(shí),材料有良好的摩擦磨損性能.圖3給出了純不飽和聚酯塑料(圖3a 和30%SF /UP 復(fù)合材料(圖3b 與c 的形貌 P OM 照?qǐng)D2氰乙基

16、化處理的10%S F /U P 復(fù)合材料磨損表面型貌的S E M 照片F(xiàn)ig 12SE M mor phologies of worn surface ofcyanoethylation10% SF /UP composite圖3復(fù)合材料斷口表面形貌的POM 分析Fig 13P OM of composites br oken structure (a unsaturated polyester;(b ther mal -alkali treat m entSF /UP composites;(c alkali treat m ent SF /UP composites ,200×(

17、a 不飽和聚酯塑料;(b 熱-堿處理SF /UP 復(fù)合材料;(c 堿處理SF /UP 復(fù)合材料,200×002桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)2005年片.可以看出,不飽和聚酯塑料和30%SF /UP 復(fù)合材料的斷口表面形貌存在明顯的差異,前者的照片中可以清楚地看到明顯的兩相結(jié)構(gòu),分散相是GF,界面清晰,同時(shí)分散相尺寸較大,而觀察30%SF /UP 復(fù)合材料的形態(tài)發(fā)現(xiàn),劍麻纖維呈較細(xì)的纖維狀分散在基體樹脂中,兩相界面較為模糊,說明分散較為均勻,界面的粘接性較好.3結(jié)論(1在干摩擦條件下,處理后的劍麻纖維可明顯提高不飽和聚酯塑料的耐磨性.在本試驗(yàn)條件下,采用化學(xué)方法處理的SF 復(fù)合材料比采用物理方法處理

18、SF 復(fù)合材料耐磨性要好,其中化學(xué)法T D I 有最佳的耐磨性能,比未處理時(shí)提高了68177%.(2隨著劍麻纖維用量的增加,不飽和聚酯/劍麻纖維復(fù)合材料的耐磨性變好.主要是因?yàn)镾F 具有質(zhì)地堅(jiān)韌、耐摩擦等優(yōu)良特性,加入樹脂以后,纖維支撐了磨損接觸面之間的部分載荷,因此提高了復(fù)合材料的耐磨性.參考文獻(xiàn)1謝爾登R P .聚合物基復(fù)合材料M .陳義芳譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1989.2何春霞,史麗萍,沈惠平.納米A l 2O 3填充聚四氟乙烯摩擦磨損性能的研究J .摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(2:153-155.3Kuruvilla Joseph,Sabu Thomas .Effect of ch

19、em ical treat m enton the tensile p r operties of short sisal fibre 2reinforced poly 2ethlene composites J .Poly mer,1996,37(23:5139.4牟秋紅,韋春,虞錦洪.劍麻纖維的處理方法對(duì)其熱性能和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響J .桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24(4:469-473.5G B 3960-83,塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法S.W ear 2Resist ance Properti es of Un s a tura ted Polyester/S is a l F i ber

20、Com positesMU Q iu 2hong a,W E I Chun a,OU J in 2xiu b,LU Zhi 2hua a,ZHONG J in 2biao a,Y ANG Xiao 2wang a(a 1D epart m ent of M aterials and Che m istry Engineering,b 1D epart m en t of R esources and Environm enta lEngineering,Guilin U niversity of Technology,Guilin 541004,China Abstract:Sisal fibers (SF are p retreated by different techniques such as alkali treat m ent,ther mal treat 2ment,alkali 2ther mal treat m ent,ther mal 2alkali treat m ent,acetylati on,cyanoethylati on,K M nO 4treat m ent,T D I tr