1、第25卷第2期桂林工學院學報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:1006-544X(200502-0198-04不飽和聚酯/劍麻纖維復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(桂林工學院,a1材料與化學工程系;b1資源與環境工程系,廣西桂林541004摘要:采用堿處理、熱處理、堿熱處理、熱-堿處理、乙酰化處理、氰乙基化處理、高錳酸鉀處理以及T D I和偶聯劑處理等不同的物理和化學方法對劍麻纖維(SF進行處理,然后將SF細化,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/劍麻纖維復合材料.研究表明:固定劍麻纖維的用量,采用化學方法處理的SF,其復合材料比采用物理方法處理時材料的耐磨性能好,尤以T D I處理方法為最好,復合材料耐磨性比未處理體系提高了68177%;復合材料的耐磨性能隨劍麻纖維含量的增大而變好.關鍵詞:劍麻纖維;不飽和聚酯;表面處理;耐磨性能中圖分類號:T Q323142;S56318;T Q327文獻標識碼:A聚合物基復合材料具有低密度、高比強度、良好的熱穩定性、耐沖擊、耐腐蝕和耐磨損等優良性能,以及其可設計性、易加工性,目前已廣泛應用于航空航天、化工及建筑等工業部門1.隨著高性能電器對產品體

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

4、水性大、與樹脂基體的反應性低,所以未經處理的劍麻纖維與樹脂基的界面粘結不理想,導致材料的力學性能不高,從而限制了劍麻/樹脂基復合材料的應用.筆者對劍麻纖維進行了物理化學改性,制備了不飽和聚酯/劍麻纖維復合材料,分析了劍麻纖維處理方法及用量與復合材料耐磨性的關系.1實驗部分111原材料SF為束狀白色長纖,廣西劍麻集團公司提供,使用前剪成35c m,80烘干;不飽和聚酯塑料(UP,PE410型,廣西桂林電器科學研究所生產;丙烯腈,化學純,上海市試劑三廠生產;K M2 nO4,化學純,廣州試劑三廠生產;冰醋酸,分析純,廣州試劑三廠生產;T D I,分析純,廣州新港化學試劑廠生產;硅烷偶聯劑,KH55

5、0型,武漢有機硅材料股份有限公司生產.112S F的表面處理對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%(質量分數,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基金項目:廣西區教育廳科研資助項目(桂教科研200420;廣西區學位委員會2003年學位授權點學科建設經費資助項目作者簡介: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偶聯劑處理:在95%的乙醇水溶液中,用醋酸調節其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乙酰化處理: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復合材料的制備將處理后的SF粉碎細化,按一定比例加入到UP中混合均勻,在煉塑機上輥煉,使物料進一步混勻.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;固化時間,4m in.114儀器及方法按照G B3960-83標準5,在MM200型磨損試驗機上測試復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.摩擦磨損試驗條件為:室溫2025,大氣干摩擦,空氣相對濕度 50%,載荷為15kg,對偶環轉速為200r/m in,軸向擺動16次/m in,磨損時間40m in.每次摩擦磨損之前,偶件均經過拋光處理.磨損量用體積磨損V(單位:c m3來表示,由公式V=(m1-m2/計算出磨損體積.式中:m1,m2分別為磨損前后試樣質量,g;為試樣密度,g/cm3.采用N iKan3型偏光顯微鏡觀察復合材料內部形態并拍照,樣品預先經過磨片處理.2結果與討論211S F物理處理方法對材料摩損性能的影響采用不同的物理化學方法處理SF,固定SF用量為30%(質量分數,下同

9、,測試復合材料的耐磨性(表1.表1S F物理處理方法對S F/U P復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、法對復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,雖然均比未處理時小,但材料耐磨性變化不大.這主要是因為,堿處理雖然能除去纖維中部分果膠、木質素和半纖維素等低分子雜質,使SF分子取向提高,但是并不能改變纖維的化學結構.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物質,或在150以下分解的物質,使SF結晶完善程度提高,對SF分子結構也沒有影響4.熱-堿處理和堿-熱處理正是綜合了兩種處理方法的優點,從而使復合材料的耐

11、磨性有了明顯提高.212S F化學處理方法對材料磨損性能的影響采用不同的化學方法處理SF,固定其用量為30%,測試復合材料的耐磨性.由表2可知,對SF的化學表面處理使復合材料的耐磨性得到了較大提高,處理過的SF復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化學處理方法對S F/U P復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處理和偶聯劑處理,其耐磨性分別比未處理時提高了60137%,48169%,24191%和19167%.分析其原因:氰乙基化處理和乙酰化處理

13、分別在SF 分子鏈上引入了新官能團,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SF 中的OH 與T D I 中的NC O 反應形成了共價鍵,增強了樹脂與基體的界面偶合作用;偶聯劑KH550中含有氨基,它的烷氧基水解后產生的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生成共價鍵,有助于形成SF 與基體界面的良好結合;K M nO 4處理則可以引發基體與SF 發生接枝聚合反應.總之,化學表面處理改變了SF 表面的化學結構,增強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 用量對復合材料耐磨

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UP,制成復合材料并測試其耐磨性.從圖1中可知,當w (SF 為10%,20%,25%,30%,40%時,復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,復合材料的磨損體積減小,這說明復合材料的耐磨性隨著SF 的增加變好.由于SF 質地堅韌、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, 因此提高了復合材料的耐磨性.圖1S F 用量對S F /U P 復合材料耐磨性的影響Fig 11Effect of SF

15、 loading on the wear resistanceof the SF /UP composition214復合材料形貌的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 復合材料磨面的掃描電鏡照片.從圖可知,復合材料的整個磨損表面呈凹凸不平特征且有明顯的非連續性小犁溝存在,同時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,并未產生大面積的撕裂紋(圖2b .表明復合材料的磨損機制應該是輕微的磨粒磨損,此時,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 復合材料(圖3b 與c 的形貌 P OM 照圖2氰乙基

16、化處理的10%S F /U P 復合材料磨損表面型貌的S E M 照片Fig 12SE M mor phologies of worn surface ofcyanoethylation10% SF /UP composite圖3復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 復合材料;(c 堿處理SF /UP 復合材料,200×002桂林工學院學報2005年片.可以看出,不飽和聚酯塑料和30%SF /UP 復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構,分散相是GF,界面清晰,同時分散相尺寸較大,而觀察30%SF /UP 復合材料的形態發現,劍麻纖維呈較細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.在本試驗條件下,采用化學方法處理的SF 復合材料比采用物理方法處理

18、SF 復合材料耐磨性要好,其中化學法T D I 有最佳的耐磨性能,比未處理時提高了68177%.(2隨著劍麻纖維用量的增加,不飽和聚酯/劍麻纖維復合材料的耐磨性變好.主要是因為SF 具有質地堅韌、耐摩擦等優良特性,加入樹脂以后,纖維支撐了磨損接觸面之間的部分載荷,因此提高了復合材料的耐磨性.參考文獻1謝爾登R P .聚合物基復合材料M .陳義芳譯.北京:機械工業出版社.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 .摩擦學學報,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其熱性能和形態結構的影響J .桂林工學院學報,2004,24(4:469-473.5G B 3960-83,塑料滑動摩擦磨損試驗方法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