纖維表面改性對酚醛樹脂麻復(fù)合材料性能的影響

纖維表面改性對酚醛樹脂麻復(fù)合材料性能的影響

1麻纖維增強復(fù)合材料的研究天然纖維具有密度低、比性能高、價格低、資源豐富、可替代等優(yōu)點。近年來，天然纖維原材料引起了人們的關(guān)注，成為全球研究的熱點。其中,麻纖維由于纖維素含量高、強度高,屬于高性能天然植物纖維,許多研究機構(gòu)開展了對麻纖維增強復(fù)合材料的研究。麻類纖維作為復(fù)合材料的增強體,由于麻纖維本身的特殊性,較容易利用的形式是麻纖維氈和短切纖維。麻纖維氈增強復(fù)合材料的性能研究以往相對較多,本文以短切苧麻纖維及劍麻纖維為增強材料,通過BMC模壓工藝、預(yù)浸料模壓工藝來研究其性能。麻纖維的主要成分為纖維素,與基體樹脂的相容性并不好,作為增強材料使用,須對其進行表面處理,改善纖維與基體樹脂的相容性。筆者采用偶聯(lián)劑對纖維進行了表面處理,比較分析了表面處理前后苧麻、劍麻纖維增強不飽和聚酯及酚醛樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能。2試驗部分試驗用主要原材料見表1。試驗儀器和設(shè)備見表2。2.1偶聯(lián)劑ph值的調(diào)整取適量的水(約為麻纖維重量的2倍),用甲酸調(diào)整PH值到3~4,攪拌均勻后,按1%濃度加入硅烷偶聯(lián)劑A-151,持續(xù)攪拌2h,直到偶聯(lián)劑溶解完全。使用前用5%的氨水將溶液的PH值調(diào)整到8~10。若偶聯(lián)劑為KH-550,則直接將偶聯(lián)劑溶于水中攪拌均勻即可使用,不需調(diào)節(jié)PH值。取短切苧麻、劍麻纖維浸入上述配好的處理液中,浸泡30min,取出擠干,然后均勻散開置于鋼絲網(wǎng)屏上,放入80℃烘箱中鼓風(fēng)干燥24h,將烘干的麻纖維在塑料袋中封存待用。2.2麻纖維的增稠處理按表3所示比例配制好樹脂糊,將樹脂糊和短切麻纖維按一定比例放入小型捏合機中攪拌捏合均勻,用玻璃紙和PE薄膜包好,放入35~40℃烘箱中進行24~48h增稠處理后取出備用。2.3切麻纖維的制備將鎂酚醛樹脂和工業(yè)酒精按60∶40的比例混合均勻,將樹脂溶液和短切麻纖維按1∶1(質(zhì)量比)倒入捏合機中捏合均勻,將捏合后的預(yù)混料逐漸加入撕松機中撕松,將撕松后的預(yù)混料均勻鋪放在網(wǎng)屏上于室溫下晾干,在80℃烘箱中烘干20min,烘干后的預(yù)混料封存在塑料袋中待用。2.4模具溫度和壓力對模具力學(xué)性能的影響對于BMC料,直接稱取一定質(zhì)量的物料,放入加熱的試樣模具中壓制。成型溫度為140~145℃,成型壓力7MPa,成型時間10min。對于酚醛預(yù)混料,在壓制前預(yù)混料須放入80℃烘箱中預(yù)熱20~30min,然后放入模具中壓制。模具溫度為135~140℃,保壓時間15min,成型壓力30MPa。試樣在室溫下置放24h后,按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在電子萬能試驗機和沖擊試驗機上測試有關(guān)力學(xué)性能。破壞后的試樣斷面經(jīng)噴金處理后用SEM觀察其表面形貌。3結(jié)果與討論3.1偶聯(lián)劑a-133的影響表4是偶聯(lián)處理前后不同種類短切麻纖維增強不飽和聚酯復(fù)合材料的力學(xué)性能。從表4中可以看出,不論是苧麻還是劍麻短切纖維,經(jīng)偶聯(lián)處理后其復(fù)合材料的力學(xué)性能都有不同程度的提高,有些性能提高幅度在60%以上。就所選用的樹脂基體而言,纖維用A-151處理效果更好一些。比較圖1(a)和(b)可以看出,劍麻纖維經(jīng)偶聯(lián)劑A-151處理后,纖維表面粘附一層樹脂基體,纖維與樹脂的相容性得到改善,從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。未處理的劍麻纖維表面比較光滑,樹脂懸掛很少,纖維和樹脂基體的相容性較差,導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能相對較差。表5是偶聯(lián)處理前后劍麻纖維增強酚醛樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能。從表中數(shù)據(jù)可以看出,劍麻纖維經(jīng)過偶聯(lián)處理后,除彎曲模量略有下降外,復(fù)合材料的其他力學(xué)性能都有不同程度的提高,提高幅度為10~30%。從圖2中可以看到,未經(jīng)處理的復(fù)合材料界面粘結(jié)性較差,表面粘附的基體樹脂較少;而經(jīng)KH-550處理后,界面附近的樹脂出現(xiàn)明顯的被拉伸狀,此時劍麻纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)力大于酚醛樹脂基體的破壞力,因而導(dǎo)致破壞主要發(fā)生在樹脂基體內(nèi)部。因此,KH-550偶聯(lián)處理大大改善了復(fù)合材料的界面粘結(jié)性。3.2偶聯(lián)劑對復(fù)合材料吸水性的影響按纖維增強塑料吸水性試驗方法(GB1462-88),對苧麻及劍麻增強復(fù)合材料的吸水率進行測試,發(fā)現(xiàn)麻纖維經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后,復(fù)合材料的吸水率有所降低。從表6中的數(shù)據(jù)可以看出,麻纖維經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后,復(fù)合材料吸水性降低率在10~20%之間。由此可知,偶聯(lián)處理改善了纖維和基體的粘結(jié)性能,纖維能夠很好的被樹脂基體包覆,微孔減少,水分子進入復(fù)合材料的通道減少,復(fù)合材料的吸水率得以降低。3.3提高天然纖維含量天然纖維的密度小,與玻璃纖維相比,同樣的重量,其體積較大,且不易浸透,與樹脂糊混合起來比較困難。從表7看出,隨著纖維含量的提高,復(fù)合材料的主要力學(xué)性能均有提高,因此盡可能地提高天然纖維在復(fù)合材料中的含量,對其復(fù)合材料力學(xué)性能的提高將起到重要作用。從圖4,5與片可以看出,劍麻纖維為粗纖維,直徑約150~200μm,每根纖維由數(shù)根中空細(xì)管組成,纖維的表面為鱗次狀,凸凹不平。與樹脂基體結(jié)合后不易剝離。苧麻纖維為細(xì)纖維,直徑約為20~40μm,纖維表面較光滑,與樹脂基體結(jié)合后剝離相對較容易。結(jié)合表4數(shù)據(jù),同樣纖維含量的復(fù)合材料,劍麻纖維的高于苧麻纖維的。單從纖維的抗張強度上來講,劍麻纖維的抗張強度比苧麻纖維的要略小一些,可見纖維本身狀態(tài)的不同是造成兩種麻纖維復(fù)合材料強度差別較大的主要原因。4纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能通過以上研究可以得出如下結(jié)論:(1)苧麻及劍麻纖維經(jīng)過偶聯(lián)處理后改善了與樹脂基體的相容性,加大了與樹脂基體的界面粘結(jié)強度,使復(fù)合材料的力