經(jīng)過堿處理的麻纖維的界面改性情況

1、經(jīng)過堿處理的麻纖維的界面改性情況7 August 2015作者：Dody Ariawan, Muhamad Saifuddin Salim, Razaina Mat Taib, Zainal Arifin Mohd. Ishak, and Mohd. Zharif Ahmad Thirmizir與聚合物基質(zhì)相容的界面的產(chǎn)生增強(qiáng)了纖維和不飽和聚酯復(fù)合材料之間的相互作用。麻（紅麻）是木槿屬和錦葵科，這種一年生作物涉及棉花和黃麻。經(jīng)過加工的麻纖維（KF）具有低密度，不用研磨，并具有高比強(qiáng)度。這些有利的性能以及其可再生性質(zhì)，意味著KF已經(jīng)不止是傳統(tǒng)的作為繩索，地毯，和大袋的原料了?，F(xiàn)在KF也用來增強(qiáng)高

2、分子復(fù)合材料，并在建筑和汽車行業(yè)有所應(yīng)用。然而KF高極性的特性意味著這種材料與更弱極性或非極性的聚合物不相容。因此這些物質(zhì)的結(jié)合物的載荷傳遞特性和機(jī)械性能不高。 用于評(píng)估堿處理以提高天然纖維的強(qiáng)度和機(jī)械性能的幾個(gè)研究已經(jīng)進(jìn)行。但是只有有限的研究的重點(diǎn)，就界面性質(zhì)（即粗糙度，面積峰密度和粘附特性）和纖維基潤濕性的效果而言，是放在處理過的纖維的改性上的。我們先前已經(jīng)證明，堿處理可以增強(qiáng)纖維素纖維（例如KF）和聚合物基體之間的粘合性，因此可以改善這種復(fù)合材料的機(jī)械性能。這是因?yàn)楦采w纖維細(xì)胞壁的外表面的木質(zhì)素，果膠，蠟質(zhì)物質(zhì)，和天然油脂被除去。纖維和基質(zhì)之間發(fā)生了機(jī)械聯(lián)鎖（以及摩擦），纖維的界面粘合性

3、和潤濕性因此增加了。因此可以預(yù)料，與未處理的樣品相比，由經(jīng)過堿處理的纖維制備的復(fù)合材料顯示出較高的機(jī)械性能。 在我們的新的工作中，我們已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來研究經(jīng)過堿處理的KF的界面改性與增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能的關(guān)系。我們已經(jīng)測(cè)量了用6的氫氧化鈉進(jìn)行三小時(shí)堿處理的KF樣品的物理和機(jī)械性能。例如，我們使用X射線衍射和西格爾公式測(cè)量了樣品在堿處理前后的結(jié)晶度指數(shù)（CRI）值。我們發(fā)現(xiàn)作為堿處理過的KF樣品的CRI值顯著增加。這里CRI增加是由于堿處理去除了非晶材料以及增加了KF內(nèi)部的晶體堆積有序性導(dǎo)致的（見表1）。表1. KF樣品（堿處理前后）的結(jié)晶度指數(shù)（CRI），拉伸強(qiáng)度（），拉伸模量（E），2D粗

4、糙度（Ra），均方根（RMS）和區(qū)域的峰值密度。處理CRI (MPa)E (GPa)Ra (nm)RMSArea peak density未處理的KF55.7251.4±49.317.4±5.436.847.63.9經(jīng)堿處理的KF60.4384.7±67.829.4±8.220.125.339.98我們還做出了從掃描電子顯微鏡圖像和原子力顯微鏡（AFM）對(duì)KF樣品的表面形態(tài)進(jìn)行的定性觀察的數(shù)據(jù)。見圖1（A），未處理的KF都具有極其多相的表面，這表明有雜質(zhì)，蠟和脂肪物質(zhì)存在。圖2（A）中，我們的AFM結(jié)果支持了這一發(fā)現(xiàn)，其中觀察到未處理的樣品具有球狀子結(jié)構(gòu)

5、和高峰值輪廓的光滑表面。KF樣品表面上的膠粘材料（即蠟，脂肪，木質(zhì)素，果膠和半纖維素）導(dǎo)致了這些子結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。相比之下，如圖1（B），堿處理過的KF樣本具有更光滑的表面和無雜質(zhì)/蠟區(qū)域。圖2（B）中我們的AFM結(jié)果顯示了片狀和溝槽表面。此外，處理過的樣品的低級(jí)均方根和二維粗糙度值（見表1）有著代表性的較低峰值的輪廓。圖1.（A）未處理的洋麻纖維（KF）的表面和（B）堿處理KF表面的掃描電子顯微鏡圖像。圖2.（A）未處理和（B）經(jīng)過堿處理的KF樣品表面的原子力顯微鏡的數(shù)據(jù)。然而我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堿處理的區(qū)域的峰值密度值高于未處理試樣。這樣就產(chǎn)生了更大的纖維基質(zhì)的特定接觸面積，纖維的潤濕性也有改善（見

6、表2）。我們測(cè)量表面能以獲取未處理和堿處理的KF樣品的潤濕性。堿處理的KF樣品顯示出更大的潤濕性，因?yàn)樵诶w維表面的蠟和木質(zhì)素（其具有相當(dāng)大的非極性性質(zhì)）已被去除。所述非極性成分的去除導(dǎo)致纖維的極性和樣品的表面能量增加。此外，堿處理過的KF粗糙度的降低提升了與表面接觸的液體的分散性，因此其表面能增大。因此，我們發(fā)現(xiàn)，堿處理的KF樣品表現(xiàn)出更高的分散能量值，因?yàn)樗鼈冇休^低的表面粗糙度（見表2）。表2. 未處理和堿處理KF樣品的分散性（d），極性（p），和表面能（）測(cè)量。也給出了測(cè)得的用未經(jīng)處理和堿處理過的KF（與不飽和聚合物）制成的復(fù)合材料的的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）和斷裂韌性（KC）。材料d(m

7、N/m)p(mN/m) (mN/m)ILSS (MPa)KC(MPa.m1/2)未處理的KF3.051.354.35.9±0.63.0±0.1堿處理的KF4.863.568.37.8±0.62.7±0.1在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們還發(fā)現(xiàn)，堿處理改善了KF/不飽和聚酯復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）。我們觀察到堿處理樣品與未處理樣品相比有32的改善。我們認(rèn)為是層間剪切強(qiáng)度的增加是經(jīng)過處理的KF與基質(zhì)之間更好的相互作用造成的。這涉及到表面能的增加，但這并不影響纖維強(qiáng)度的增加（見表1）。但是堿處理的KF復(fù)合材料的斷裂韌性（KC）低于未經(jīng)處理的樣品。這表明，經(jīng)過堿處

8、理的KF復(fù)合材料中纖維基質(zhì)的粘附性的改善在一定程度上抑制了能量吸收機(jī)制的發(fā)展。我們已經(jīng)進(jìn)行了一些測(cè)試以研究堿處理對(duì)KF樣本（包括復(fù)合材料）的影響，以及之后相關(guān)物理變化的機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堿處理的KF的結(jié)晶度指數(shù)，潤濕性，以及該材料的層間剪切強(qiáng)度都有增加。在今后的工作中，我們計(jì)劃研究類似樣品的電導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)，以及濕熱膨脹系數(shù)。我們將利用這些研究的結(jié)果告知和預(yù)測(cè)KF及其復(fù)合材料的特定應(yīng)用性能。作者信息Dody AriawanSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaMuham

9、ad Saifuddin SalimSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaRazaina Mat TaibSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaZainal Arifin Mohd. IshakSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaM

10、ohd. Zharif Ahmad ThirmizirScience and Engineering Research Centre, Universiti Sains Malaysia參考文獻(xiàn)1.Y. Xie, C. A. S. Hill, Z. Xiao, H. Militz and C. Mai, Silane coupling agents used for natural fiber/polymer composites: a review, Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf. 41, pp. 806-819, 2010. 2.M. Z. Rong,

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