剑麻纤维聚合物复合材料研究进展.pdf

第 4 4卷 第 4 期 2 0 1 5年 4月 化工技术与开发 T e c h n o l o g y& De v e l o p me n t o f C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 4 4 No 4 Ap r 2 01 5 剑麻纤维 聚合物复合材料研究进展 杨 芳 ，于淑娟 ，朱永飞 ，庞锦英 ( 广西师范学院化学与材料科学学院，广西 南宁 5 3 0 0 0 1 ) 摘 要： 主要概述了剑麻纤维( S 均 表面处理方法、 s F 增强热塑性聚合物及热固性聚合物复合材料的结构及性能， 指出了s 强聚合物复合材料今后的研究与发展方向。 关键词 ： 剑麻纤维； 聚合物； 复合材料； 表面处理； 增强 中图分类号 ： T B 3 3 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 - 9 9 0 5 ( 2 0 1 5 )0 4 - 0 0 2 8 - 0 4 剑麻( S i s a l h e m p) 又名菠萝麻 ， 属龙舌兰科 ， 是 一 种广泛种植 的多年生麻类经济植物 】 ， 原产 中美 洲， 现主要在非洲、 拉丁美洲、 亚洲等地种植， 我国 剑麻主要分布在广东、 广西、 海南和福建等地。剑麻 纤维 ( S i s a l F i b e r ， S F ) 取 自剑麻作物的叶片， 其化学 组成以纤维素 (5 0 6 5 ) 、 木质素 ( 8 1 0 ) 、 半纤 维素 ( 1 2 2 0 ) 为主。剑麻纤维纤丝长 ( 1 0 1 4 m ) ， 色泽洁白， 耐海水腐蚀， 质地坚韧， 密度小， 拉伸强 度和模量高， 来源广泛 ， 价格低廉 。 】 ， 因此 ， s F用于 制备轻质、 高强高模、 价廉的纤维增强聚合物基复 合材料具有明显优势， 并已引起各国学者的广泛关 注和竞相研究 。本文主要对 近 5年来 S F的表面处 理方法及其对不同聚合物基体的改性进行了总结。 l S F的表 面处理方法 s F由于含有大量 的羟基而呈现亲水性 ， 而大部 分聚合 物是亲油的 ， 从而导致 S F 聚合物复合材料 界面粘合性差 ， 最终影响复合材料的整体性能 。此 外， s F 还存在结构不均匀和尺寸稳定性差的缺陷4 】。 因此 ， 对 s F进行表面改性 ， 可改善剑麻与聚合物基 体的相容性， 提高复合材料的性能。目前， s F的表 面处理方法主要可分为 2大类 ： 物理处理方法和化 学处理方法， 其 目的都在于改善 s F 增强体与聚合 物基体之间的亲和力。 1 1 S F的物理处理方法 物理方法不改变纤维的化学成分 ， 通过改变纤 维表面形貌和结构特性来改善纤维与基体的相容 性， 主要包括热处理法、 蒸汽爆破处理法等。 李 向丽 【5 采用真空干燥箱对 S F进行热 处理 ， 制备了 s F 含量为 5 0 的S F 聚乳酸( P L A) 全降解 环保型复合材料。考察了真空条件下热处理温度与 时间对 S F组成 、 结构及复合材料性能 的影响， 并通 过红外光谱 ( F T I R ) 和扫描电镜 ( S E M ) 分析其作用 机理。结果表明， 对 s F 进行热处理能使其半纤维 素降解， 有利于降低纤维的亲水性， 使纤维表面 自 由能降低， 改善了纤维与 P L A基体的界面结合力， 且适宜的热处理温度、 热处理时间有利于复合材料 力学性能的提高。 蒸汽爆破能使剑麻纤维形态结构发生变化 ， 纤 维变细变小， 表面裂纹增多， 增大比表面积， 提高剑 麻纤维的化学反应性 6 -7 o李展洪 采用蒸汽爆破 预处理剑麻纤维 ( S E S F ) 作为增强体， 通过模压成 型制 备 聚丁二 酸 丁二醇 酯 ( P B S ) S E S F复合 材料 ， 研究 了 S E S F含量对 复合材料力学性 能的影 响， 发 现随 S E S F含量增加 ， 复合材料 的拉伸强度呈 先增 大后减小趋势， 而弯曲强度和弯曲模量均提高。当 S E S F含量为 3 0 时 ， S E S F与 P B S基体材料界面结 合 比较 紧密 ， 复合材料 的拉伸强 度达到最 大值 ， 比 纯 P B S提高了 1 5 5， 而弯 曲强度比纯 P B S提高 了 1 3 2 5 。但复合材料 的断裂伸 长率和冲击强度均 随 S E S F含量的增加而降低。 此外， 在 s F与聚合物复合的时候， 施以特殊的 基金项目： 广西 自然科学基金项 目 ( 2 0 1 3 G X N S F A A 0 1 9 3 0 0) ； 广西高校重点实验室合成与天然功能分子化学 ( 广西师范学院 )开 放课题 作者简介： 杨芳 ( 1 9 8 2 ) ，女 ，硕士 ，讲师，主要从事聚合物复合材料 的研究 ； 电话 ： 0 7 7 1 - 3 9 0 8 0 6 5 ，1 5 8 7 8 1 7 7 1 9 3 ，E - ma i l f an g z h i 2 9 1 3 1 6 3 c o n 收稿日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 2 第 4期 杨 芳等：剑麻纤维， 聚合物复合材料研究进展 2 9 剪切力场或拉伸力场， 也可达到改善纤维与聚合物 基体界面相容性的目的。韩宋佳 采用动态保压 注塑成型技术 ( D P I M ) ， 在加工过程中施加往复的剪 切应力， 使纤维分散得更加均匀 ， 并在聚丙烯 ( P P ) 基体 中形成取 向结构 ， 改善纤 维与基体的界面相互 作用， 从而制备出拉伸强度与冲击强度都明显高于 传统工艺制备的复合材料。当 s F质量分数为 2 0 时， 动态样品拉伸强度由5 3 M P a 提高至 6 4 M P a ， 提 高了2 1 ， 提高幅度明显大于静态样品提高幅度。 1 2 S F的化学处理方法 化学处理可以改变 s F化学极性和组成， 或在 其表面引人新的官能团， 增加纤维与基体的亲和性， 改善界面性能， 并最终提高复合材料的性能。方法 主要有碱液处理 、 K Mn O 处理 、 化学偶联处理 、 乙酰 化以及烷基化处理等。 刘婷 n 川采用不 同碱处理浓度 、 处理 时间对 s F 进行表面改性， 制备 S F P P复合材料。研究了碱处 理方 法 、 含 量对 S F P P复合 材料力学性 能 的影 响。 结果表明， 碱处理使 s F 表面变得粗糙， 有效提高了 s F与 P P树脂的相容性， 从而提高复合材料的力学 性能。在碱浓度为 1 0 、 处理 4 h 、 s F含量为 2 0 时， 复合材料的冲击强度为 1 5 7 8 k J m 一 ， 达到最大值， 而弯曲强度和弯曲模量随着 s F 含量的增加而增大。 C a r o l i n e P ig a t to I1 】 首先采用碱液 N a O H预处理 s F， 再经熔融共混制备 P P E P D M S F复合材料 ， 发现 经 N a O H处理 后的 S F与基体 P P、 E P D M 的相 容性 较好 ， 可大幅提高复合材料的杨氏模量 、 拉伸强度及 弯曲强度。 刘峥 n 为改善 s F与聚合物基体的相容性， 采 用过 硫酸 铵作 为引发剂 ， 制备 了丙 烯酸稀 土接枝 S F ， 并利 用 F T I R、 S E M、 X射线粉末 衍射 仪( X R D) 观察其结构， 证明丙烯酸稀土已成功接枝到 s F 表 面上。热分析表 明接枝 S F的热稳定 性 、 吸油性 能 均优于未接枝 s F 。 Z o u Ha n t a o f 】 分别对 S F表面进行 乙酰化 、 硅烷 化、 高锰酸钾化及丝光处理， 再经熔融复合制备改性 S F 增强 P L A生物降解复合材料。发现 s F经表面 处理后可改善其与 P L A基体的粘结性能， 使复合材 料 的力学性能提高。其 中， 经乙酰化处理的 S F P L A 复合材料具有最大的拉伸强度、 冲击强度、 耐水性及 最小的降解率 。 李 肖建 卅 通过对 s F 进行预处理、 碱处理、 酸 解等， 从 s F中成功提取了剑麻纤维素微晶， 并对产 物进行了表征。F T I R分析表明， 所制备的剑麻纤维 素微晶的主要成分为纤维素 ； 而 X R D、 P O M和 S E M 结果表明， 剑麻纤维素微晶以纤维素 I 的形式存 在 ， 具有一定 的长径 比， 长度 尺寸在 5 0 1 5 0 m之 间 ， 直径 约为 1 0 m； 热分析表 明制得微 晶的结晶 度为 6 1 1 1 ， 熔融温度为 3 2 3 7 ， 初始分解温度达 3 3 7 ， 比 S F要高 6 O。 2 S F增强不同基体复合材料 聚合物基体是纤维增强复合材料的重要组成部 分， 按聚合物基体的不同， s F 增强复合材料可分为 s F 增强热塑性聚合物和 s F 增强热固性聚合物。 2 1 S F增强热塑性聚合物 s F 增强热塑性聚合物的基体主要包括 P P 、 聚 乙烯( P E) 、 聚氯 乙烯 ( P V C) 等。 S u l a w a n K a e w k u k 【 制 备 了 S F质量 含 量 分 别 为 1 0 、 2 0 、 3 0 的 S F P P复合材料， 考察了复合 材料的力学性能 、 热性能 、 形态及 吸水性 ， 同时 比较 了纤维的不同处理方法 ( 碱液处理 、 热处理 ) 和添加 相容剂 ( 马来酸酐接枝 P P、 MA P P) 对复合材料性能 的影响。纤维经碱液处理 、 热处理或添加相容剂均 可提高 复合体 系的力 学性能 、 分解温度及 亲油性。 S E M观察 可看出 ， 纤维经表面改性后或添加相容剂 可提高 其与基体 P P的界面粘结性。其 中， 添加相 容剂 MA P P对 于复合材料 的增 强效果最 明显 。随 s F 含量增加， S F P P复合体系的拉伸强度、 模量及 吸水性增加， 冲击强度和断裂伸长率降低。 Z h a o X u e f e n g n q 考察了纤维含量、 界面相容剂 对 s F增强高密度聚乙烯 ( H D P E) 复合材料力学性 能 的影 响， 发 现增 加 s F和相 容 剂( 马来 酸酐接 枝 H D P E 、 M A P E) 的含量， 可提高复合材料的力学性 能。 何和智 n 采用蒸汽爆破原位 改性技术使石墨 较好 地包覆于 S F表面 ， 制备 了剑麻 石墨 P VC复 合的一种低成本屏蔽材料， 并研究了该材料的屏蔽 性能和力学性 能。结 果表明 ， 通过石 墨对 s F 包 覆 改性， 提高了复合材料的屏蔽效能。当改性剑麻含 量大于 1 0 时， 随其含量增加， 复合材料的拉伸和 弯曲性能均提高， 而改性 s F含量对材料冲击性能 影响不大。 方伟 1 8 通过熔融共混工艺制备 s F和低密度 3 0 化工技术与开发 第 4 4卷 聚乙烯 ( L D P E ) 共同改性的聚 甲醛( P O M) 复合材 料 ， 考察其摩擦磨 损性能。结果表 明， 添加适量 的 L D P E能显著降低 P O M的摩擦 因数和磨损率； 在 L D P E量一定的情况下， P O M L D P E S F复合材料的 摩擦因数和磨损率随 s F质量分数的增加呈先增大 后减小再增大的趋势。当 s F质量分数为 5 时， 复 合材料摩擦磨损性能优异 ， 其稳定摩擦 因数为 0 1 6 ， 磨损 率为 1 6 1 1 0 mlT I ( N m1 。通过 S E M观 察材料磨损表面形貌可知 ， 纯 P O M主要以黏着磨损 为主， 填充 L D P E和s F 后， 复合材料的磨损机制主 要是疲劳磨损 ， 并伴随转移膜的剥落 。 2 2 S F增强热 固性聚合物 目前 s F增强热固性聚合物主要包括环氧树脂 、 酚醛树脂 、 不饱和聚酯等 。 M K G u p t a 1 利 用手糊成型制备 了 s F质量 含 量分别为 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3