楊 莉,王孝峰,季 城,陳 耀,倪慶清,
(1.安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2. 日本信州大學(xué)纖維學(xué)部機(jī)能機(jī)械學(xué)科,日本 長野 386-8567 )
由于受石油資源和環(huán)境的影響,天然植物纖維聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用和研究越來越受到人們的關(guān)注。天然植物纖維與化學(xué)纖維相比,具有密度小、比強(qiáng)度高、來源廣、可再生、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的植物纖維有麻纖維(亞麻、苧麻、劍麻、大麻等)、香蕉纖維、竹纖維、木纖維及農(nóng)作物秸稈纖維等[1-2],而利用椰殼纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)纖維原料的還較少。
椰殼纖維屬于纖維素纖維,表面含有大量羥基官能團(tuán),使纖維表面出較強(qiáng)的化學(xué)極性和親水性,而大多數(shù)的聚合物材料都是非極性的,具有較強(qiáng)的疏水性[4],這使得兩種物質(zhì)在復(fù)合時存在清晰的界面,影響復(fù)合材料的最終機(jī)械性能。為了克服這一問題,并提高兩相之間的界面結(jié)合性能,目前常用于界面改性的方法有:堿處理、偶聯(lián)劑處理、乙?;幚怼⒈砻娼又?、熱處理和低溫等離子等處理方法[5]。其中堿處理和偶聯(lián)劑處理因價(jià)格低廉,高效而被廣泛使用,因此本文采用不同濃度的堿溶液和偶聯(lián)劑及兩種方法的聯(lián)合方式對椰殼纖維進(jìn)行處理,分析不同種界面改性方法對椰殼纖維及其聚丙烯復(fù)合材料性能的影響。
椰殼纖維,纖維主體長度為22 cm,平均線密度為435 dtex,產(chǎn)于印度;
聚丙烯樹脂,EPS30R,優(yōu)級品,由中國石化齊魯股份有限公司;
氫氧化鈉,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;
無水乙醇,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;
偶聯(lián)劑KH550,工業(yè)級,南京硅聯(lián)化工有限公司。
電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,DHG-9070,上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;
很多年以后,他像當(dāng)日殺鼠一樣,被判五刑加腰斬——劓刖、割舌、剁肢、笞殺同時執(zhí)行之際便腰斬,最后慢慢碎尸。一家老小、三族親戚、賓客門生……不分男女,一律斬首。七八個劊子手斧起刀落,也是一直忙到傍晚,這是一個雨夜。雨整整下了一個月。
電子萬能試驗(yàn)機(jī),CSS-88100,長春試驗(yàn)機(jī)研究所;
掃描電子顯微鏡(SEM),S-4800,日本日立公司;
傅里葉紅外光譜儀(FTIR),IRPrestige-21,日本島津公司;
臺式砂輪機(jī),MD2125A,上海鵬邦機(jī)電設(shè)備制造有限公司;
模具,自制。
纖維的改性處理:(1)堿處理,將經(jīng)過振動清除表面雜質(zhì)的椰殼纖維按1∶10的浴比浸于質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2 %、4 %、6 %、8 %、10 %及12 %的氫氧化鈉堿溶液,處理24 h,用蒸餾水反復(fù)浸泡沖洗至中性,室溫下晾干,80 ℃烘箱中干燥1 h,制備復(fù)合材料試樣編號分別為堿處理組2#~7#;(2)偶聯(lián)劑處理,將經(jīng)過振動處理的椰殼纖維按3∶10的浴比浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25 %、0.5 %、0.75 %、1 %的KH550乙醇溶液中30 min,室溫晾干,120 ℃烘箱中干燥2 h;復(fù)合材料試樣編號分別為偶聯(lián)劑處理組2#~5#;(3)堿加偶聯(lián)劑聯(lián)合處理,按方法(1)將經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %和4 %的氫氧化鈉堿溶液處理后的椰殼纖維再按方法(2)進(jìn)行偶聯(lián)劑處理,120 ℃烘箱中干燥2 h;復(fù)合材料試樣編號分別為聯(lián)合處理組2#~5#,未經(jīng)表面處理的椰殼聚丙烯復(fù)合材料,編號為1#。
復(fù)合材料的制備:用平板硫化機(jī)將聚丙烯母粒加工成膜;再將已處理好的椰殼纖維和聚丙烯樹脂膜以疊加鋪層的方式按質(zhì)量比4∶6置于模具中,平板硫化機(jī)上溫度185 ℃,成型壓力8 MPa,保溫時間30 min工藝進(jìn)行熱壓,自然冷卻成型。
表面形態(tài)表征:采用SEM對經(jīng)過不同表面處理前后的椰殼纖維及其復(fù)合材料拉伸斷面進(jìn)行觀察,試樣經(jīng)噴金處理,加速電壓為15 kV;
FTIR分析:將纖維制成粉末,用KBr壓片法制樣,掃描范圍為4 000~400 cm-1,分辨率1 cm-1,掃描次數(shù)10次;
拉伸性能:按ASTM D638-91測試,試樣尺寸為165 mm×20 mm×3 mm,拉伸速度為2 mm/min,每組5個試樣,結(jié)果取平均值;
彎曲性能:按ASTMD790測試,試樣尺寸為160 mm×20 mm×3 mm,拉伸速度為2 mm/min,每組5個試樣,結(jié)果取平均值。
(a)原纖維 (b)2 % 堿處理 (c)4 %堿處理 (d)6 %堿處理 (e)8 %堿處理 (f)10 %堿處理 (g)12 %堿處理 (h)0.25 %偶聯(lián)劑 (i)0.5 %偶聯(lián)劑 (j)0.75 %偶聯(lián)劑 (k)1 %偶聯(lián)劑 (l)2 %堿+0.25 %偶聯(lián)劑 (m)2 %堿+1 %偶聯(lián)劑 (n)4 %堿+0.25 %偶聯(lián)劑 (o)4 %堿+1 %偶聯(lián)劑圖1 纖維縱向形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of longitudinal morphology of the fiber
圖1所示為椰殼纖維表面處理前后的縱向形態(tài)SEM照片。未經(jīng)處理的椰殼纖維表面含有大量塊狀雜質(zhì),且無凹坑和溝槽存在。經(jīng)過堿處理后的椰殼纖維表面雜質(zhì)被大量去除,且有明顯的凹坑和溝槽存在。經(jīng)2 %堿溶液處理后的椰殼纖維表面仍有雜質(zhì)存在,但尺寸明顯變小,纖維表面只有少量凹坑和溝槽存在。隨著堿溶液濃度的增加,纖維表面的凹坑和溝槽數(shù)量明顯增加,且呈有序狀排列。但此時仍可在纖維表面觀察到有少量雜質(zhì)存在,多為連續(xù)的膠質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài),是由纖維本身所含蠟質(zhì)或膠質(zhì)組成。而經(jīng)不同濃度偶聯(lián)劑處理后的椰殼纖維表面仍有大量塊狀角質(zhì)層雜質(zhì)存在,但纖維表面粗糙程度減小,且有少量的凹坑出現(xiàn)。纖維表面形態(tài)受偶聯(lián)劑濃度變化影響較小。經(jīng)過比較,發(fā)現(xiàn)經(jīng)聯(lián)合處理后的椰殼纖維表面雜質(zhì)量大量減少,且有明顯的凹坑和溝槽存在,但凹坑數(shù)量及溝槽深度不及經(jīng)單獨(dú)堿處理后的椰殼纖維明顯,纖維表面有明顯的膜狀物存在。
椰殼纖維在未經(jīng)堿處理前,纖維表面含有大量的角質(zhì)層雜質(zhì),經(jīng)堿溶液處理后,纖維表面角質(zhì)層雜質(zhì)被去除,出現(xiàn)凹坑和溝槽,隨著堿溶液濃度的增加,纖維表面的果膠,蠟質(zhì)等雜質(zhì)也被逐漸去除,纖維表面的凹坑和溝槽越來越清晰。雖然偶聯(lián)劑與椰殼纖維上的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成牢固結(jié)合,但對椰殼本身結(jié)構(gòu)并不產(chǎn)生影響,特別是對纖維表面含雜情況的影響。經(jīng)聯(lián)合處理后的椰殼纖維,先經(jīng)堿溶液處理去除纖維表面的大量角質(zhì)層雜質(zhì),使纖維表面出現(xiàn)凹坑和溝槽,再經(jīng)偶聯(lián)劑處理后,偶聯(lián)劑在纖維表面形成均勻的偶聯(lián)劑分子膜,覆蓋了部分凹坑和溝槽。
由圖2可知,未經(jīng)改性的椰殼纖維在3 400 cm-1附近有較寬的—OH纖維素特征吸收峰,在1 760~1 635 cm-1寬度范圍內(nèi)分別存在木質(zhì)素苯環(huán)骨架振動吸收峰和半纖維素中的羰基振動吸收峰,及在554 cm-1附近的木質(zhì)素芳香環(huán)上的C—H的平面外振動吸收峰[6]。這是因?yàn)楫?dāng)堿溶液濃度較低時,堿溶液使纖維潤濕并溶脹,纖維表層的角質(zhì)層雜質(zhì)與纖維間的界面結(jié)合力降低脫落。隨著堿溶液濃度的增加,堿溶液向椰殼纖維內(nèi)部滲透,并與纖維素發(fā)生反應(yīng)生成堿纖維,同時在堿溶液滲透和擴(kuò)散的過程中,木質(zhì)素也與堿發(fā)生化學(xué)水解,生成堿木質(zhì)素,從木質(zhì)素表面脫離溶于溶液中。而木質(zhì)素是一類芳香族聚合物,經(jīng)2 %堿處理后的椰殼纖維在3 400 cm-1處的—OH特征吸收峰增強(qiáng),隨后又隨著堿濃度的增加而降低,隨后又增強(qiáng)。這是因?yàn)楫?dāng)纖維素表面的角質(zhì)層雜質(zhì)被去除后,椰殼纖維的纖維素特性增加,而堿纖維素的生成,使其—OH減少,振動吸收峰減弱,隨著纖維中木質(zhì)素及半纖維素的大量去除,纖維中的—OH基又大量增加,其特征吸收峰增強(qiáng)。經(jīng)過堿處理后的椰殼纖維在554 cm-1附近振動吸收峰和在1 760~1 635 cm-1寬度范圍內(nèi)的木質(zhì)素和半纖維素的特征吸收峰消失,但纖維中的游離羥基增加,纖維在1 635 cm-1附近的H—O—H振動吸收峰增強(qiáng)。
1—原纖維 2—2 %堿濃度 3—4 %堿濃度 4—0.25 %偶聯(lián)劑 5—1 %偶聯(lián)劑 6—2 %堿+0.25 %偶聯(lián)劑 7—4 %堿+1 %偶聯(lián)劑 8—12 %堿濃度圖2 椰殼纖維的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of coir fibers
偶聯(lián)劑對復(fù)合材料的界面結(jié)合機(jī)理是,硅烷偶聯(lián)劑中的烷氧基水解后生成三羥基硅烷,其中的羥基與椰殼纖維中的—OH基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而偶聯(lián)劑上的有機(jī)官能團(tuán)又與樹脂反應(yīng),生成體型的交聯(lián)結(jié)構(gòu),從而提高復(fù)合的界面結(jié)合性能[7]。因此,經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的椰殼纖維在3 600 cm-1附近出現(xiàn)明顯譜帶,這是由于偶聯(lián)劑與纖維偶合時使纖維中的O—H伸縮振動處于高波數(shù),從而產(chǎn)生了強(qiáng)度較高的吸收峰。經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的椰殼纖維在1 640~1 560 cm-1處有明顯峰值振動,這是偶聯(lián)劑中的N—H和—OH增加所導(dǎo)致的。經(jīng)聯(lián)合處理后的椰殼纖維的紅處光譜與經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的椰殼纖維紅外光譜相似,在3 400 cm-1處無明顯—OH特征吸收峰存在,這是由于椰殼纖維表面被大量偶聯(lián)劑膜覆蓋所致。
表1為經(jīng)不同處理工藝椰殼纖維表面處理對復(fù)合材料拉伸性能的影響。經(jīng)過堿處理后的椰殼纖維聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度都有了一定程度的改善,最小提高了12 %,最大提高了53 %,且隨著處理堿溶液濃度的增加而增大。其主要原因是,椰殼纖維受堿溶液處理后,表面雜質(zhì)被去除,增加了纖維表面的浸潤性,減少了纖維表面的極性,使纖維與樹脂間的粘附性得到改善;在纖維表面雜質(zhì)被去除的同時,纖維表面還呈現(xiàn)出大量凹坑和溝槽,增強(qiáng)了纖維與樹脂基體的機(jī)械嚙合作用。且通過對椰殼纖維表面形態(tài)分析可知,隨著堿溶液濃度的增加,椰殼纖維表面凹坑和溝槽數(shù)量增加,纖維直徑減小,長徑比增大,這也有利于增強(qiáng)纖維與聚合物基體有效界面的改善。
表1 處理前后椰殼聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度 MPa
經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度也得到了較大改善,最小增加了13 %,最大提高了1.3倍左右。復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨偶聯(lián)劑濃度的增加而增大,但增加幅度不斷減小。隨著偶聯(lián)劑濃度的增加,復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度增加幅度分別為39 %、20 %和9 %。根據(jù)相關(guān)資料和分析可知[8],復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度不會隨著偶聯(lián)劑濃度的增加而無限增大,當(dāng)達(dá)到一定值后,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度不再隨偶聯(lián)劑濃度的增加而增大,反而下降。這是因?yàn)镵H550經(jīng)醇解后生成硅醇基團(tuán),與椰殼纖維表面的羥基反應(yīng)生牢固的化學(xué)結(jié)合,在復(fù)合層壓時偶聯(lián)劑中的有機(jī)官能團(tuán)又與聚丙烯樹脂形成互穿的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),使復(fù)合材料界面粘結(jié)性能得到較大改善。在偶聯(lián)劑濃度較低或適中時,在椰殼纖維表面形成一層均勻連續(xù)的單分子層膜,起橋梁作用。隨著偶聯(lián)劑濃度的增加,過量未反應(yīng)的偶聯(lián)劑小分子會在纖維與樹脂基體的界面體系中形成聚集或多分子層,減少椰殼纖維與聚丙烯樹脂之間的鍵合幾率和偶合效果,形成弱界面連接帶,影響增強(qiáng)體與基體的界面粘結(jié)效果及復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。
在相同處理堿濃度的情況下,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也是隨著偶聯(lián)劑濃度的增加而增大,但其變化規(guī)律與只經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料受濃度變化影響不同,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著處理偶聯(lián)劑濃度的增大,其增加幅度也不斷增加。在偶聯(lián)劑處理濃度相同的情況下,處理堿溶液濃度越大,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也越大,但其增幅不大,最大也僅增加了5 %,最小僅增加了1 %。
將經(jīng)3種不同界面改性方法得到的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)經(jīng)偶聯(lián)劑處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度改善情況要優(yōu)于經(jīng)堿處理的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。這主要是因?yàn)?,?jīng)堿溶液改性后的椰殼纖維與基體樹脂的界面結(jié)合屬于物理結(jié)合,而經(jīng)偶聯(lián)劑改性后的椰殼纖維與基體樹脂的界面結(jié)合屬于化學(xué)鍵結(jié)合,其界面結(jié)合效果更牢固。3種界面改性方法中,聯(lián)合處理方式對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度影響最大。這除了增強(qiáng)體與基體之間即采用了物理嚙合又采用了化學(xué)鍵結(jié)合的粘結(jié)效果外,還因?yàn)橐瑲だw維經(jīng)堿溶液處理后,椰殼纖維表面的羥基含量增加,使其可也偶聯(lián)劑反應(yīng)的極性基團(tuán)增加,使纖維表面的偶聯(lián)劑數(shù)量增加,因此通過聯(lián)合處理后的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著偶聯(lián)劑濃度的增加而增大。但由于在偶聯(lián)劑浸漬過程中覆蓋了纖維表面的大量凹坑和溝槽,使其堿溶液濃度對纖維表面與基體之間的嚙合作用減小。
圖3所示為部分椰殼聚丙烯復(fù)合材料的拉伸斷裂截面的SEM照片。未經(jīng)任何處理的椰殼纖維與基體樹脂之間結(jié)合較弱,界面間有較大孔隙顧存在;經(jīng)堿處理后的椰殼纖維與基體界面結(jié)合得到改善,沒有明顯的分界面,但纖維有被拔出的現(xiàn)象;而經(jīng)偶聯(lián)劑及聯(lián)合處理后椰殼聚丙烯復(fù)合材料的界面結(jié)合性好,復(fù)合材料的拉伸斷口整齊,纖維無被拔出痕跡。
(a)原纖維,×30 (b)4 %堿處理,×30 (c)6 %堿處理,×30 (d)8 %堿處理,×30 (e)0.5 %偶聯(lián)劑,×80 (f)0.75 %偶聯(lián)劑,×100 (g)2 %堿+0.25 %偶聯(lián)劑,×100 (h)4 % 堿+1 %偶聯(lián)劑,×90圖3 椰殼聚丙烯復(fù)合材料拉伸截面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of fracture morphology of coir reinforced polypropylene composites
表2所示為椰殼纖維經(jīng)表面處理前后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。經(jīng)堿處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度也得到了一定程度的改善,提高量為31 %~96 %。處理堿濃度為2 %的椰殼聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度大于經(jīng)4 %堿溶液處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。隨后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著處理堿濃度的增加而增大,當(dāng)處理堿濃度超過8 %后,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度又隨著處理堿濃度的增加而減小。堿濃度對椰殼聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響除了與對其拉伸強(qiáng)度的影響原因相似之外,椰殼纖維的組成成份也直接影響了纖維與聚合物的粘結(jié)性能。椰殼纖維中除含有大量纖維素外,還含有大量的半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)。木質(zhì)素的存在容易產(chǎn)生團(tuán)聚,從而影響增強(qiáng)纖維與聚合物的界面結(jié)合性能。同時,木質(zhì)素和纖維素含量也直接影響纖維與聚合物的粘結(jié)性能。纖維素與聚合物的粘結(jié)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于木質(zhì)素與聚合物的粘合,且纖維素的柔韌性也優(yōu)于木質(zhì)素,利于復(fù)合材料抗彎性能的改善。隨著堿處理濃度的增加,椰殼纖維中木質(zhì)素含量逐漸減少,因此堿濃度的增加有利于椰殼纖維與聚丙烯樹脂之間的界面結(jié)合。
表2 處理前后椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度 MPa
經(jīng)偶聯(lián)劑改性后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度也較未改性之前有了較大改善,最小也增加了92 %,遠(yuǎn)大于經(jīng)堿處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。其增強(qiáng)原因與偶聯(lián)劑對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度改善原因相同。經(jīng)聯(lián)合處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度在處理堿濃度相同的情況下,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著偶聯(lián)劑濃度的增加先增大,再減小。在偶聯(lián)劑相同的情況下,堿濃度對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響也并不明顯。
比較3種界面改性椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),雖然經(jīng)聯(lián)合處理后的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高最大,但并不都大于相同偶聯(lián)劑改性條件下的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。這主要是因?yàn)橐瑲だw維經(jīng)堿處理后,纖維表面所富含的可與偶聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)的羥基數(shù)量增加,導(dǎo)致纖維表面的偶聯(lián)劑數(shù)量增加,在低濃度條件下就在纖維表面形成偶聯(lián)劑聚集和多分子層,影響了復(fù)合材料界面性能的改善。
(1)椰殼纖維經(jīng)堿處理后,纖維表面的角質(zhì)層雜質(zhì)被大量去除,呈現(xiàn)大量凹坑和溝槽,且隨著堿濃度的增大,凹坑和溝槽呈有序狀排列;同時,纖維素特征增強(qiáng)。偶聯(lián)劑處理對椰殼纖維表面雜質(zhì)無較大影響,但纖維表面粗糙度降低,同時光譜中有明顯N-H和醇羥基存在。經(jīng)聯(lián)合改性處理過的椰殼纖維表面的凹坑和溝槽數(shù)量減少;
(2)經(jīng)界面改性處理的椰殼聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度都得到改善,聯(lián)合處理方式對復(fù)合材料力學(xué)性能改善最明顯;在堿濃度相同情況下,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著偶聯(lián)劑濃度的增加而增大;而復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度則是隨著偶聯(lián)劑濃度的增加先增大后減小;偶聯(lián)劑界面改性對椰殼聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能影響優(yōu)于堿處理界面改性對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,且椰殼聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都隨著偶聯(lián)劑濃度的增加而增大;堿處理界面改性對椰殼聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響大于對拉伸強(qiáng)度的影響。