一種用作環(huán)保型復(fù)合材料增強(qiáng)體的苧麻纖維的改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料及其制備領(lǐng)域，具體涉及的是一種用作環(huán)保型復(fù)合材料增強(qiáng)體的苧麻纖維的改性方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著國(guó)際能源日益緊張和與日倶增的環(huán)境問題，節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究越來越受到重視。天然植物纖維具有比重輕、強(qiáng)度高、模量高、價(jià)格低廉、可生物降解等優(yōu)越的特性，采用自然界豐富的天然植物纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的玻璃纖維等增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，可制得環(huán)境友好型和可回收利用的生態(tài)復(fù)合材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。在麻類植物纖維中苧麻性能尤為突出，其纖維素含量高、強(qiáng)度大、纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)、屬于高性能的天然植物纖維，很適合做樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。
[0003]由于芒麻纖維素大分子間和大分子內(nèi)存在大量的氫鍵，對(duì)纖維素的形態(tài)和反應(yīng)性影響較大，其結(jié)晶度和取向度高，在常溫下不溶于水和一般的有機(jī)溶劑，也不溶于稀堿溶液，纖維素可以進(jìn)行一系列涉及到羥基反應(yīng)，包括纖維素的酯化、醚化、接枝共聚和交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，并且與氧化劑等接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化，生成一系列與原來纖維結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)。此外，苧麻纖維特殊的疏松多孔的三維結(jié)構(gòu)使得納米細(xì)微顆粒很容易進(jìn)入苧麻纖維的微觀結(jié)構(gòu)，并與苧麻纖維結(jié)合，提高苧麻纖維的力學(xué)性能和疏水性，有利于提高纖維與基體材料的相容性，使纖維起到有效增強(qiáng)復(fù)合材料的作用。
[0004]目前，我國(guó)綠色復(fù)合材料在航空制造領(lǐng)域已初見成效，但是總的來說可降解復(fù)合材料在我國(guó)還處于研究階段，還未實(shí)行完全的產(chǎn)業(yè)化。蘇州大學(xué)的王溪繁等人采用竹原纖維織物和PLA薄膜用熱壓工藝制作成復(fù)合材料，用NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)竹原纖維進(jìn)行表面改性處理，提高了復(fù)合材料的界面性能，復(fù)合材料綜合力學(xué)綜合性能優(yōu)良。國(guó)外關(guān)于天然纖維可降解復(fù)合材料及其制品的研究開發(fā)工作開展較早，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，并且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。BASF公司采用劍麻、黃麻、亞麻等纖維為增強(qiáng)材料，以熱塑性樹脂為基體，制備出天然纖維氈復(fù)合材料，應(yīng)用于轎車的內(nèi)飾件、吸噪聲板、備用輪罩等。美國(guó)專利“汽車頂棚”(專利號(hào)5942321公布日1999年8月24日)采用黃麻、劍麻纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)的玻璃纖維生產(chǎn)出性能良好的噪聲小表面柔軟和熱絕緣的汽車頂棚。Dieu T V等人(Study onpreparat1n of polymer composites based on PP reinforced by jute fibers)發(fā)現(xiàn)黃麻經(jīng)過室溫20°C、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的堿溶液處理后，纖維與樹脂之間的界面粘結(jié)改善，復(fù)合材料的力學(xué)性能提尚。
[0005]苧麻纖維作為環(huán)保材料受到越來越多的重視，應(yīng)用也越來越廣泛，但苧麻纖維結(jié)晶度和取向度高，吸濕性良好，力學(xué)性能一般，纖維外表平直、粗硬、無卷曲、斷裂伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度低，故苧麻纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，在應(yīng)用之前要進(jìn)行改性處理，進(jìn)行脫膠和非極性處理，使其具備良好的疏水性能和力學(xué)性能，提高纖維與樹脂基體的相容性，使纖維起到有效增強(qiáng)復(fù)合材料性能的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種使復(fù)合材料增強(qiáng)體苧麻纖維疏水性提高的改性方法，以改善纖維與樹脂基體之間的相容性，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:用作環(huán)保型復(fù)合材料增強(qiáng)體的苧麻纖維的改性方法，包括有以下步驟:
[0008](I)將苧麻纖維裁剪至300 X 300mm大小，用濃堿對(duì)苧麻纖維進(jìn)行浸泡預(yù)處理，浸泡時(shí)間為30min-150min，調(diào)節(jié)pH至中性后用蒸餾水洗滌，室溫下自然晾干，得到初步處理的苧麻纖維；
[0009](2)將納米二氧化硅置于硅烷偶聯(lián)劑KH-570的乙醇水溶液中，磁力攪拌20-30min，將初步處理過的苧麻纖維浸泡在上述溶液中，浸泡時(shí)間為45min-90min，取出室溫下自然晾干后，再在烘箱中進(jìn)一步烘干，得到改性處理的苧麻纖維。
[0010]按上述方案，步驟(I)所述苧麻纖維為21S*21S/52*58/63"純苧麻平紋布。
[0011 ] 按上述方案，步驟(I)所述濃堿溶液采用濃度為0.75-2.25mol/L的NaOH溶液。
[0012]按上述方案，步驟(I)所述堿液浸泡時(shí)間為30-150min。
[0013]按上述方案，步驟(I)所述用來調(diào)節(jié)pH的溶液為0.5mol/L?2mol/L的鹽酸溶液。
[0014]按上述方案，步驟(2)所述硅烷偶聯(lián)劑的用量為苧麻纖維質(zhì)量的1%_7%，納米二氧化硅的用量為苧麻纖維質(zhì)量的I % -1 O %。
[0015]按上述方案，步驟(2)所述乙醇水溶液為體積比為3:1的乙醇與水的混合溶液。
[0016]按上述方案，步驟(2)所述磁力攪拌速度為500rpm。
[0017]按上述方案，步驟(2)所述烘箱中的烘干溫度為60°C-80°C，時(shí)間為2h_4h。
[0018]本發(fā)明以改性的苧麻纖維為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，配制樹脂，采用真空灌注(VARI)成型工藝制備苧麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料板材;所述樹脂配方質(zhì)量比為:乙烯基樹脂:固化劑:促進(jìn)劑=100:0.35:0.03，固化劑為過氧化甲乙酮，促進(jìn)劑為異辛酸鈷，固化時(shí)間為Ih;所述復(fù)合材料板材的鋪層為10層，板材尺寸為300 X 300mm;所述的VARI成型工藝的工藝參數(shù)為:真空壓力-0.08Mpa。
[0019]本發(fā)明的苧麻纖維的主要成分是纖維素、半纖維素、果膠和木質(zhì)素，木質(zhì)素具有一定的親油性，纖維素由于其本身帶有許多羥基，具有強(qiáng)的親水性。納米二氧化硅由于小尺寸效應(yīng)具有親水性。苧麻纖維經(jīng)過濃堿處理后去除表面的一層膠質(zhì)，呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，有利于納米粒子的浸入。纖維表面粗糙性增加，與樹脂基體之間的相容性得到改善，再通過硅烷偶聯(lián)劑對(duì)溶脹的苧麻纖維和納米二氧化硅進(jìn)行處理，將納米二氧化硅以物理填充和化學(xué)鍵鍵合的方式連接在苧麻纖維上，使苧麻纖維的疏水性提高，提高樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性，使復(fù)合材料力學(xué)性能得到改善。本發(fā)明以苧麻纖維為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，充分利用我國(guó)苧麻纖維資源豐富的優(yōu)勢(shì)，并且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。采用VARI成型的復(fù)合方法，在室溫下固化，操作簡(jiǎn)便，成本低廉。經(jīng)測(cè)定，利用本發(fā)明的方法制得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的界面性能和力學(xué)性能，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
[0020]本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)本發(fā)明以天然纖維為原料，來源廣泛，成本低廉，綠色環(huán)保。
[0022](2)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，在室溫下操作，反應(yīng)溫和，便于操作。
[0023](3)本發(fā)明的改性方法改善了苧麻纖維與樹脂基體之間的浸潤(rùn)性，改善了復(fù)合材料的界面相容性，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但是此說明不會(huì)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
[0025]對(duì)比實(shí)施例1:
[0026](I)將苧麻纖維裁剪至300 X 300mm大小，用1.25mol/L的NaOH溶液對(duì)苧麻纖維進(jìn)行浸泡預(yù)處理，浸泡時(shí)間為60min，用lmol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH至中性后用蒸餾水洗滌，室溫下自然晾干；
[0027](2)將相對(duì)于苧麻纖維質(zhì)量的5%的硅烷偶聯(lián)劑KH-570溶于體積比3:1的乙醇水溶液中，用醋酸調(diào)節(jié)PH至3-4，磁力攪拌20-30min，將經(jīng)過堿液浸泡的苧麻纖維浸泡在偶聯(lián)劑的乙醇水溶液中，浸泡時(shí)間為45min，洗滌至中性后，自然晾干。再放置于烘箱中進(jìn)一步烘干，設(shè)置溫度為80°C，干燥時(shí)間為2h，得到改性的苧麻纖維；
[0028](3)以處理過的苧麻纖維為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，配制樹脂，按照乙烯基樹脂:固化劑:促進(jìn)劑質(zhì)量比為100:0.35:0.03配制樹脂，固化時(shí)間約為Ih。采用真空灌注(VARI)成型工藝制備苧麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，板材尺寸為300 X 300mm，厚度為3-4mm。
[0029]對(duì)所制得的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸與彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，拉伸強(qiáng)度為87.3MPa;彎曲強(qiáng)度為111.7MPa;實(shí)驗(yàn)方法分別參照GB/T1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸試驗(yàn)方法和GB/T1449-2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲試驗(yàn)方法，設(shè)備為瑞格爾RGM-4030微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。拉伸試樣規(guī)格為250mmX 25mm、夾持距離為10mm;彎曲試樣規(guī)格為80mmX 15mm、跨距為60mm，拉伸與彎曲試驗(yàn)的加載速度均為2mm/min。