4性黄麻纤维增强聚氨酯硬泡性能的研究

改性黄麻纤维增强聚氨酯硬泡性能的研究!! 王福玲! 梅启林! 杜! 明! 黄志雄! 秦! 岩 （武汉理工大学材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院! "#$$%$） 摘! 要：采用碱处理工艺对黄麻纤维进行了表面改性，提高了纤维对基体树脂的浸润性，改善了纤 维与树脂基体的界面粘结。研制了一种新型的黄麻纤维增强硬质聚氨酯结构泡沫材料。测试结果 发现，碱处理后纤维表面出现沟槽和裂纹，拔出的单丝纤维表面包覆有聚氨酯基体，纤维与基体结 合紧密。压缩性能实验结果表明，添加改性纤维的复合材料，其压缩强度明显提高，当纤维质量分 数为 #& $’时，复合材料的压缩强度达到最大值（(& $) *+,）；纤维质量分数为 #& $’、长度为 # -- 的短切纤维的增强效果较好；随着纤维含量和长度的增加，复合材料的压缩模量亦随之增大。 关键词：黄麻纤维；碱处理；硬质聚氨酯泡沫；压缩强度；压缩模量 ! ! 近年来，利用植物纤维作为填料逐渐引起人们 的重视。黄麻纤维是韧皮纤维的一种，具有较高的 比强度、比模量，同时在所有的植物纤维中，麻纤维 的断裂强度最高。我国是世界黄麻大国，占世界总 产量的 .$’ ，目前黄麻纤维一般不用于衣料中，只 用作包装材料或工业用布，所以扩大黄麻的应用领 域，特别是在复合材料方面的运用，具有很大的潜在 工业应用价值［)］。 黄麻纤维的主要化学组分是纤维素、半纤维素 和木素，其中纤维素是植物纤维原料的主要组分，它 是不溶于水的单一聚糖，是由大量葡萄糖基构成的 链状高分子化合物，其重复单元每一基环含有三个 羟基，这些羟基在分子内或分子间形成氢键，并使植 物纤维具有亲水性［.］，一般来说，这些极性的纤维 素纤维在本质上很难与 ""/ 0 聚合物相容［#］，但由 于羟基能与异氰酸酯基（ %% %%1 / 2 ）进行反应形 成交联产物，因此黄麻纤维与聚氨酯基体两者复合 在理论上是可行的。但是，由于黄麻纤维素中的羟 基具有吸湿性，此外，未经表面处理的黄麻纤维在与 聚氨酯原料反应过程中有部分羟基未完全反应，因 此导致黄麻纤维不易被基体树脂浸润，从而引起基 体和黄麻纤维之间不良的界面粘附性，这样就使得 黄麻纤维增强硬质聚氨酯泡沫材料在使用过程中容 易随存放或使用时间的推移而解除键合［"］。为了 改善黄麻与聚氨酯之间的界面粘结强度，采用了对 黄麻原麻纤维进行碱处理［3］的技术，制备出一种新 型的植物纤维增强聚氨酯结构复合材料。 !! 实验部分 !& !! 主要原材料 +4+5，工业品，重庆长风化工厂；聚醚二元醇， 羟值 #%3 6 "$$ -7820 9 7，南京塑料厂；黄麻纤维， 市售；泡沫稳定剂、三乙醇胺，工业品，开封东大化工 （集团）有限公司试剂厂；二丁基锡二月桂酸酯，化 学纯，上海化学试剂有限公司；氢氧化钠，分析纯，武 汉医药集团化学试剂厂。 !& "! 黄麻纤维的表面改性 通过氢氧化钠与黄麻纤维素相互反应生成碱纤 维素，在纤维表层形成刻蚀的沟槽。处理过程及处 理条件：首先对黄麻原麻纤维进行除杂烘干处理；将 烘干后的纤维置于 .3:下的 1,20 溶液（%$ 7 9 ;） 中浸泡 ( <，在碱处理过程中纤维应保持张紧，以防 纤维收缩；待处理完毕后对纤维进行脱液洗涤、稀酸 溶液洗涤、清水洗涤等清洗。最后，烘干、切短、打 散。 !& #! 复合泡沫材料的制备 将聚醚多元醇和各种助剂按一定质量比（聚醚 ·.)· 聚 氨 酯 工 业 +2;=>?@A041@ 51B>CA?=! ! .$$D 年第 .) 卷第 . 期 .$$D& EF)& .) 1F& . ! 基金项目：国家自然科学基金（3$"%#$)#） 万方数据 多元醇!泡沫稳定剂!三乙醇胺!二丁基锡二月桂酸 酯为 "#!$!%! %）混合均匀，配成聚醚多元醇溶液，然 后，加入打散后的短切纤维，使纤维被充分均匀的 浸渍，再加入 &’&(（聚醚多元醇与 &’&(的质量比为 %!%) $），迅速搅拌 %# * %+ ,后倒入准备好的金属模 具中，进行发泡、成型，成型温度为 $# * -#.，压力 % * %# /&0，时间为 %# * %+ 123，成型完成后进行脱 模。 !4 结果与讨论 !) "4 黄麻纤维的表面与树脂基体界面粘合状态 增强材料和聚合物间的界面相容性是影响复合 材料性能的一大因素，缺乏良好的界面粘合性会导 致界面张力增加，材料空隙增多，并且易被环境降 解。因此黄麻纤维的改性处理对复合材料性能的优 劣具有极其重要的意义。黄麻纤维表面改性处理前 后的电镜扫描 56/如图 % 所示。 0—处理前的表面形貌图；7—处理后的表面形貌图；8—未改性增强复合材料单丝拔出黄麻纤维表面形貌图； 9—改性增强复合材料单丝拔出黄麻纤维表面形貌图 图 "4 改性前后纤维形貌电镜扫描图（#$%） 4 4 从图 % 中的（0）可以看出，改性处理前的黄麻 纤维表面较为平滑，仅有少量较浅的沟槽；（7）显示 出黄麻纤维经碱处理后纤维纵向有明显的沟槽出 现，表面凹凸不平，粗糙程度加大，有利于纤维与树 脂基体间的力学啮合。对比图（8）和图（9）的单丝 拔出实验可以看出，未经改性处理的黄麻纤维从基 体中拔出后表面粘附的基体树脂较少，而改性黄麻 纤维表面则粘结有较多的聚氨酯基体，聚合物基体 被覆在纤维的大部分表面和沟槽内，纤维和聚合物 之间形成一层紧密牢固的界面过渡层。总之，改性 后的黄麻纤维表面有明显的沟槽和裂纹，增加了表 面的粗糙度，与聚氨酯基体结合良好，没有明显的界 面分离现象。因此通过碱法改性可有效改善黄麻纤 维的表面性质，增强了纤维对基体树脂的浸润性，从 而提高了与聚氨酯基体的结合能力。 !) !4 黄麻纤维含量对复合材料压缩性能的影响 原料中分别添加质量分数为 %) #: * -) +:的 改性后的黄麻短切纤维（- * + 11）制成复合材料， 密度范围为 #) -$; * #) -;< = > 81-，比较纤维含量对 复合材料压缩性能的影响。测试过程严格按照 ?@ > A %BB"—%C"- 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 进行，结果如图 $ 所示。 从图 $ 可知，改性黄麻纤维加入后，复合材料的 压缩性能有了明显的提高，当纤维含量为 -) #:时， 复合材料的压缩强度最高，达到 ") #% /&0，压缩模 量为 %-; /&。纤维质量分数超过 -) #:时，复合材 料的压缩强度开始降低，这主要是因为纤维添加量 较高时，基体中纤维的集聚和缠结较为严重，分散不 均匀，同时由于发泡时间很短，搅拌时间不能过长 （预混料在倒入模具之前已开始发泡反应），因此导 致纤维对基体树脂的浸润程度降低；随着纤维含量 的增加，复合材料的压缩模量也随之增加，增长趋势 随纤维添加量的增加变得较为平缓。 %—改性黄麻纤维的含量对复合材料压缩强度的影响曲线； $—改性黄麻纤维的含量对复合材料压缩模量的影响曲线 图 !4 改性黄麻纤维含量对复合材料压缩性能的影响 !) &4 黄麻纤维长度对压缩性能的影响 选择改性纤维质量分数为 -) #:的复合材料 （泡沫材料的密度为 #) -; = > 81-），考察了纤维长度 ·-%·第 $ 期4 4 4 4 4 4 4 王福玲等·改性黄麻纤维增强聚氨酯硬泡性能的研究 万方数据 对材料压缩性能的影响，结果如图 ! 所示。 "—改性黄麻纤维的长度对复合材料压缩强度的影响 #—改性黄麻纤维的长度对复合材料压缩模量的影响 图 !$ 改性黄麻纤维长度对复合材料压缩性能的影响 由 ! 图可以看出，短切纤维的长度对复合材料 的力学性能的影响是比较明显的。当纤维长度为 ! %%时，复合材料的压缩强度达到最大值；当纤维 长度超过 ! %%时，复合材料的压缩强度开始下降。 这主要是因为当纤维长度超过泡孔尺寸时，部分纤 维贯穿入泡孔内，泡体结构产生改变，另一方面是因 为纤维长度增加，纤维之间产生缠结集聚现象，被树 脂的浸润性也降低而导致的。随着纤维长度增加， 泡沫材料的压缩模量也随之增加，但纤维长度在 & ’ ( %%之间时，复合材料的压缩模量增长趋于平 缓。纤维长度越长，搅拌难度也随之增加，给实际操 作造成困难，因此，在实际应用中，应根据需要选择 适宜的短切纤维的长度。 !$ 结 论 （"）采用碱处理工艺对黄麻原麻纤维进行了改 性处理，纤维表面改性后较改性前出现了较多沟槽， 增加了表面的粗糙度，改善了纤维表面被基体树脂 的包覆性，使纤维和聚合物之间形成一层紧密牢固 的界面过渡层； （#）复合材料的压缩强度随着纤维含量的增加 有明显的提高，当纤维质量分数为 !) *+、纤维长度 为 ! %%时，其复合材料的压缩强度最好，纤维质量 分数超过 !) *+，复合材料的压缩强度开始下降； （!）复合材料的压缩模量随纤维含量及长度的 增加而随之增大。 参$ 考$ 文$ 献 "$ 张安定，马胜，丁辛，等) 黄麻纤维增强聚丙烯的力学性能) 玻璃 钢 ,复合材料，#**-，（#）：! ’ & #$ 唐建国，胡克鳌) 天然植物纤维的改性与树脂基复合材料) 高分 子通报，"..(，（#）：&/ ’ /# !$ 王俊勃，郑水蓉，赵川，等) 碱处理对苎麻!醋酸纤维素复合材料 的影响) 复合材料学报，#**#，".（/）："!* ’ "!! -$ 012133 4 5，61789:;9 < =) >133?38@1 >A1%:@B7C ;9D EB@ FGG3:H;B:89) 01I J87K：L:31C，".(&) #!& 收稿日期$ #**& M "" M "-$ $ 修回日期$ #**/ M *! M "N "#$%& ’( )*’+,*#-,. ’( /-0-% )’1&$*,#234, 5’36 /,-4(’*7,% 8-#2 9*,3#,% :$#, 5-;,* L;9O P?3:9O$ Q1: R:3:9$ S? 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