李 白，石大為，魏家輝

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 輕工與紡織學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚拇焦ぞ撸S著汽車制造成本的降低，汽車的售賣價格變得更加親民，但與此同時，環(huán)境壓力也日益增加。為了進一步減少汽車及其生產(chǎn)對環(huán)境帶來的污染，一方面必須在汽車內(nèi)飾件的回收與利用上加以重視，另一方面應加快開發(fā)汽車輕量化材料，以降低車身質(zhì)量，同時減少油耗和尾氣排放。有研究表明，汽車質(zhì)量減少100 kg，每100 km可節(jié)省燃油0.3 L、減少CO2排放8～11 kg[1]，因此，對汽車輕量化材料的開發(fā)有著非常重要的意義。

植物纖維增強復合材料憑借其綠色環(huán)保、可降解、力學性能較好、原料價格低廉等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外新材料領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點，在汽車外部構(gòu)件及內(nèi)飾、飛機內(nèi)飾、軌道交通車輛內(nèi)飾、建筑材料、露天公共設(shè)施等領(lǐng)域得到廣泛應用。由于植物纖維自身力學性能及表面特性等多種因素的影響，使得植物纖維增強復合材料與傳統(tǒng)高性能合成纖維增強復合材料之間的力學性能存在一定的差距。針對植物纖維增強復合材料的高性能化，所采用的方法大都是對植物纖維增強體的表面改性，以提升其與基體材料之間的界面結(jié)合效果，探究植物纖維微觀結(jié)構(gòu)、化學成分對復合材料的力學性能及界面性能的調(diào)控機制。

本文以胡麻為研究對象探討植物纖維增強體的制備。由于胡麻中含有膠類物質(zhì)和其他雜質(zhì)，進而影響胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的成型質(zhì)量，因此需要對胡麻進行脫膠處理。采用生物酶與化學法聯(lián)合脫膠的工藝對胡麻纖維進行脫膠處理。通過減少配置堿液的次數(shù)，一方面簡化了脫膠流程，減少了堿性廢水的產(chǎn)生，在一定程度上有利于環(huán)境保護；另一方面增加了胡麻纖維的脫膠產(chǎn)量，有助于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[2]。此外，優(yōu)化真空輔助樹脂傳遞模塑成型(VARTM成型)工藝中胡麻纖維的用量，并進行界面改性處理[3-5]，可制備出符合汽車內(nèi)飾使用標準的胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，豐富麻纖維復合材料在汽車內(nèi)飾領(lǐng)域的應用[6-7]。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料和儀器設(shè)備

實驗材料：胡麻稈(內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市農(nóng)田)、果膠酶(寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司)、環(huán)氧樹脂及樹脂固化劑(深圳市郎博萬先進材料有限公司)、硅烷偶聯(lián)劑(山東晨光化學試劑有限公司)。

儀器設(shè)備：單纖維電子強力機、Z(B)02Q型萬能制樣機(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、真空泵(沈陽真空泵廠)。

1.2 胡麻纖維的脫膠處理和改性

化學脫膠的脫膠率較高，脫膠效果顯著，但經(jīng)堿煮后會損傷纖維，且產(chǎn)生的堿煮廢液需要進行處理，脫膠成本提高。生物酶脫膠的脫膠效果不夠理想，但綠色環(huán)保，有很高的應用價值。本文實驗采用生物酶—化學聯(lián)合脫膠工藝[8]，以實現(xiàn)2種脫膠方式的優(yōu)勢互補。該工藝的要點是利用生物酶脫膠處理工藝，先去除一部分膠質(zhì)，減輕后續(xù)脫膠工藝的負擔，節(jié)省化學藥品。同時，也能使得胡麻纖維溶脹而變得更加松散，在之后的堿煮工藝中所配置的堿煮液可以更加容易地滲透到胡麻中去。另外，在生物酶脫膠處理工藝的基礎(chǔ)上，注意其后處理工藝中相關(guān)化學藥品的使用量[9]。生物酶—化學聯(lián)合脫膠工藝流程如下：取樣→浸酸→水洗→生物酶脫膠→水洗→脫水→打纖→堿煮→酸洗→水洗→脫水→自然風干→精干麻。

生物酶—化學聯(lián)合脫膠工藝參數(shù)為：胡麻桿20 g；浸酸時硫酸質(zhì)量濃度1.6 g/L，浴比1∶50，溫度50 ℃，時間2 h；生物酶脫膠時果膠酶用量8%(o.w.f)，浴比1∶50，溫度35 ℃，時間48 h；堿煮時氫氧化鈉質(zhì)量濃度8 g/L，多聚磷酸鈉質(zhì)量濃度1.5 g/L，亞硫酸氫鈉質(zhì)量濃度4.0 g/L，碳酸鈉質(zhì)量濃度2.0 g/L，JFC滲透劑質(zhì)量濃度0.8 g/L，溫度95 ℃，時間1.5 h，浴比1∶50；酸洗時硫酸質(zhì)量濃度1.6 g/L，浴比1∶50，溫度25 ℃，時間5 min。

在熱處理和堿處理等傳統(tǒng)的改性方法中，提高界面黏合強度的同時，會損傷纖維自身。在不損傷纖維的前提下，通過添加一定量的硅烷偶聯(lián)劑，可使胡麻纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面形成偶聯(lián)，進而提高界面性能，實現(xiàn)胡麻纖維與環(huán)氧樹脂基體的穩(wěn)定結(jié)合[10]。適量的硅烷偶聯(lián)劑不僅可以確保對樹脂的良好潤濕性，還可以通過偶聯(lián)反應進一步提高復合材料的界面特性。

本文通過改變硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)，分析其對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料性能的影響，以得出硅烷偶聯(lián)劑最合適的用量。

1.3 胡麻纖維復合材料的制備

采用梳理機梳理2～3遍胡麻纖維使其成網(wǎng)，經(jīng)過反復折疊鋪層后得到的胡麻氈作為增強體，將胡麻氈的尺寸裁剪為25 mm×25 mm，以質(zhì)量比為10∶3的環(huán)氧樹脂、樹脂固化劑混合物作為基體(環(huán)氧樹脂和固化劑的使用量一定)。改變胡麻纖維的質(zhì)量分數(shù)分別為20%、25%、30%、35%、40%，確定最佳質(zhì)量分數(shù)后加入不同質(zhì)量分數(shù)的硅烷偶聯(lián)劑對環(huán)氧樹脂進行改性。參照文獻[11]中將硅烷偶聯(lián)劑直接加入到膠黏劑組分中，加入量為基體樹脂量的1%～4%。涂膠后依靠分子的擴散作用，偶聯(lián)劑分子遷移到黏接界面處產(chǎn)生偶聯(lián)作用。因此選用硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%。添加先后順序為環(huán)氧樹脂、樹脂固化劑、硅烷偶聯(lián)劑。配置完成后靜置10 min，隨后將改性后環(huán)氧樹脂/樹脂固化劑混合物體系加入至料瓶當中。此制備方法要在注射壓力良好的情況下進行真空灌注，灌注完成后在常溫下固化48 h，以使偶聯(lián)劑完成遷移過程，從而獲得較好的效果。參照文獻[12]的試樣尺寸進行制備，得到10種不同的復合材料試樣(試樣編號分別為C1～C10)。改性環(huán)氧樹脂及胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的編號如表1所示。具體VARTM成型工藝的流程為：精干麻→開松→梳理→鋪層→裁剪→模具涂蠟→加裝脫模布、導流網(wǎng)、導流管→密封→抽真空→灌樹脂→常溫固化→脫模→成品。

表1 改性環(huán)氧樹脂及編號Tab.1 Modified epoxy resin and number

2 結(jié)果與分析

2.1 聯(lián)合脫膠對胡麻纖維力學性能的影響

生物—化學聯(lián)合脫膠后胡麻纖維拉伸斷面SEM照片如圖1所示?？芍?，胡麻纖維的斷面為不規(guī)則的多邊形，表面有溝槽，且內(nèi)部有明顯的中腔。

圖1 脫膠后胡麻纖維拉伸斷面SEM照片(×10 000)Fig.1 SEM image of flax fiber tensile section after degumming(×10 000)

經(jīng)測試可知：采用生物酶脫膠時單纖維強力為0.98 N/tex；采用化學脫膠時單纖維強力為0.75 N/tex；采用生物—化學聯(lián)合脫膠時單纖維強力為0.86 N/tex。由此可見，生物酶脫膠后的胡麻纖維強力最好，但生物酶脫膠不能完全去除胡麻中的膠質(zhì)，并且酶活性低，脫膠效率低，不能滿足正常的紡織生產(chǎn)?；瘜W脫膠的堿煮次數(shù)多，時間長對胡麻纖維造成的損傷大，導致纖維強力相較于其他2種脫膠工藝低。對胡麻采用生物—化學聯(lián)合脫膠工藝，由于減少了堿液煮練次數(shù)，煮練時間縮短，因而對胡麻纖維造成的損傷較小，強力相對提高。

2.2 胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響

胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響如表2所示。當胡麻纖維加入熱塑性環(huán)氧樹脂基體當中，其用量在一定范圍內(nèi)，胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學指標明顯提高，繼續(xù)添加胡麻纖維超過這個范圍，復合材料的力學性能有所下降。這是因為，當胡麻纖維在基體中達到一定比例后，若繼續(xù)增加胡麻纖維的質(zhì)量分數(shù)會使樹脂灌注變得十分緩慢，難以完全浸潤整塊胡麻氈，一方面會使纖維發(fā)生接觸，喪失協(xié)同抵抗變形的能力；另一方面導致復合板材的樹脂質(zhì)量分數(shù)相對減少，使后期材料固化困難。這2方面因素是最終導致胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能降低的根本原因。

表2 胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響Tab.2 Effect of flax fiber mass fraction on mechanical properties of flax fiber reinforced epoxy resin composites

隨著胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學指標均呈現(xiàn)先升高后略有降低的規(guī)律。當胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)為30%時，胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能達到最佳，復合材料的拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度達到最大值，分別為37.61、82.53、129.45 MPa。胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度均比目前國內(nèi)汽車內(nèi)飾使用更為普遍的聚丙烯(PP)材料明顯要好[13]，所以，質(zhì)量分數(shù)為30%的胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料完全適合應用于汽車內(nèi)飾材料的生產(chǎn)制造[14]。

2.3 改性處理對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響

由于胡麻纖維含有親水性羥基，而環(huán)氧樹脂是非親水性聚合物，通過加入硅烷偶聯(lián)劑對胡麻纖維進行界面改性處理，能促使胡麻纖維和環(huán)氧樹脂的交聯(lián)結(jié)合。改性處理對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響規(guī)律如表3所示。

表3 改性處理對胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的影響Tab.3 Effect of modification on mechanical properties of flax fiber reinforced epoxy resin composites

由表3可知，經(jīng)過偶聯(lián)劑改性處理后的胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能進一步提升。隨著偶聯(lián)劑添加量的增加，復合材料的力學指標呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。當偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，復合材料的拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度達到最大值，分別為54.32、127.19、211.95 MPa?？捎糜诹W性能要求較高的汽車內(nèi)飾部件(如儀表盤)，以提升汽車的安全性。圖2、3分別改性前后試樣的拉伸和彎曲應力-應變曲線對比圖。

圖2 拉伸應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curve

圖3 彎曲應力-應變曲線Fig.3 Bending stress-strain curve

3 結(jié) 論

①胡麻纖維采用化學脫膠的脫膠率較高，殘膠率較低，脫膠效果顯著，但堿液對纖維會造成一定程度的損傷，且堿煮后產(chǎn)生的廢水處理難度大，不利于環(huán)境保護。生物酶脫膠對胡麻纖維幾乎沒有損傷，但生物酶脫膠不能完全去除胡麻纖維中的膠質(zhì)，且產(chǎn)酶量和酶活性低，脫膠效率低，若只用生物酶來進行脫膠，則不能滿足紡織生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化需求。本文采用生物酶-化學聯(lián)合脫膠工藝使得生物酶脫膠和化學脫膠優(yōu)勢互補，不僅纖維強力高，而且能夠很大程度除去膠質(zhì)。

②在一定范圍內(nèi)，通過提高胡麻纖維的質(zhì)量分數(shù)，可使胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能得到提升。當胡麻纖維質(zhì)量分數(shù)為30%時，胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能達到最佳，其拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度分別為37.61、82.53、129.45 MPa。

③在一定范圍內(nèi)，通過提高偶聯(lián)劑的添加量，可使胡麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能較沒有經(jīng)過偶聯(lián)劑改性處理的復合材料力學性能得到進一步的提升。在偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，其拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度達到最大，分別為54.32、127.19、211.95 MPa。