劍麻纖維處理方法對(duì)SF_PF共混復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響_圖文

1、 第26卷第2期2010年2月高分子材料科學(xué)與工程POL YM ER MA TERIAL S SCIENCE AND EN GIN EERIN GVol. 26,No. 2Feb. 2010劍麻纖維處理方法對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響楊香蓮, 韋春, 呂建, 龔永洋, 熊雪梅(桂林工學(xué)院有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 材料與化學(xué)工程系, 廣西桂林541004摘要:分別采用堿、硅烷偶聯(lián)劑(A 21120 及阻燃劑(硼砂2HCHO 2NaHSO 3 , 制備了劍麻纖維酚醛樹脂(SF PF 共混復(fù)合材料。 SF PF 共混復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、蠕變及應(yīng)力松弛性能的影響態(tài)。

2、結(jié)果表明,SF 經(jīng)偶聯(lián)劑處理后, (T g 達(dá)到216, 其儲(chǔ)能模量和T g 2經(jīng)阻燃劑處理后,SF PF 共混復(fù)合材料的蠕變和應(yīng)力松。關(guān)鍵詞:復(fù)合材料; 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能; 蠕變; 應(yīng)力松弛中圖分類號(hào):O631.2+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100027555(2010 0220095204天然植物纖維增強(qiáng)熱固性塑料是一種新型的、可持續(xù)發(fā)展的、綠色環(huán)保型復(fù)合材料, 具有廣闊的應(yīng)用前景。劍麻纖維(SF 作為高性能天然纖維中的一種, 與許多無(wú)機(jī)及合成纖維相比具有價(jià)廉、易得、密度低、纖維長(zhǎng)、較高的拉伸強(qiáng)度和模量、耐摩擦、耐海水腐蝕等優(yōu)良性能, 且具有生物降解性及可再生性等優(yōu)點(diǎn)13廠; 硅烷偶聯(lián)劑KH

3、2550:南京經(jīng)緯化工有限公司; 硼砂:天津市北方化學(xué)試劑廠; 亞硫酸氫鈉:廣東達(dá)濠精細(xì)化學(xué)品公司。1. 2SF 表面處理方法1. 2. 1堿處理:將SF 絲束浸泡于2%的NaOH 溶液。中, 室溫處理24h , 水洗至中性后烘干備用。1. 2. 2偶聯(lián)劑處理:將堿處理過的SF 置于2%A 21120(N H 2(CH 2 2N H (CH 2 3Si (OCH 3 3 的乙醇溶液但是親水性植物纖維與疏水聚合物基體之間相容性很差; 同時(shí)較強(qiáng)的纖維分子內(nèi)氫鍵使得其在和聚合物基體共混時(shí)易聚集成團(tuán), 造成分散性不佳4。這使得應(yīng)5中浸泡4h 5h ,80左右烘干。1. 2. 3阻燃劑處理:將堿處理過的

4、SF 依次在2%KH 2550乙醇溶液和阻燃劑溶液(10%硼砂2HCHO 2NaHSO 3 中各浸泡4h 5h , 然后于80左右烘干。1. 3SF PF 共混復(fù)合材料的制備力不能在界面有效傳遞, 導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。本文分別采用堿、硅烷偶聯(lián)劑(A 21120 及阻燃劑(硼砂2HCHO 2NaHSO 3 對(duì)劍麻纖維(SF 進(jìn)行表面處理, 研究了SF 表面處理方法對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響, 這為拓寬劍麻纖維的應(yīng)用范圍打下基礎(chǔ), 目前尚未見到類似的研究報(bào)道。1實(shí)驗(yàn)部分1. 1主要原料將酚醛樹脂粉末、劍麻纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、填料等按配方比例混合均勻, 在塑煉機(jī)中輥煉, 使物料

5、進(jìn)一步混合均勻, 然后將物料粉碎、干燥, 通過模壓成型工藝制備樣品。模壓工藝條件:150165, 15MPa ,4min 。冷卻后, 在150170熱處理4h 5h 即得到SF PF 共混復(fù)合材料。1. 4性能測(cè)試1. 4. 1動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試:美國(guó)TA Instrument劍麻纖維(SF :束狀白色長(zhǎng)纖維, 廣西劍麻集團(tuán)公司提供, 使用前剪成3cm 5cm ,80烘干; 酚醛樹脂(PF 基體:上海樹脂廠; 六亞甲基四胺:上海試劑一收稿日期:2009201208基金項(xiàng)目:國(guó)家973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)(2008CB617513 ; 國(guó)家自然科學(xué)基金資助計(jì)劃(50763001 ; 廣西自然科學(xué)基金(

6、桂科自0728223 ; 廣西應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(xiàng)(桂科基0731002、桂科基0836016 ; 廣西研究生教育創(chuàng)新人才基地項(xiàng)目資助通訊聯(lián)系人:韋春, 主要從事聚合物基復(fù)合材料研究, E 2mail :. cn 96高分子材料科學(xué)與工程2010年DMA Q800型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀, 樣品尺寸30mm ×10mm ×4mm , 頻率1Hz , 升溫速率3K min , 單懸臂2結(jié)果與討論2. 1SF 表面處理對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料儲(chǔ)能模量的模式。1. 4. 2蠕變和應(yīng)力松弛性能測(cè)試:美國(guó)TA Instrument DMA Q800型動(dòng)態(tài)熱

7、機(jī)械分析儀, 試樣尺寸60mm ×10mm ×4mm , t =140, 時(shí)間120min 。1. 4. 3SEM :日本J EOL 公司的J SM 25600LV 型掃描影響與材料在每個(gè)周期中貯存的最大儲(chǔ)能模量(E 彈性成正比, 反映材料粘彈性中的彈性成分, 也稱為彈6性模量。它是表征材料抵抗熱機(jī)械變形能力的重要參數(shù), 模量越大, 材料的剛性越大, 愈不容易變形。Fig. 1為SF PF 共混復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)曲線。由Fig. 1(1 可看出,SF 表面處理后,SF PF 共混復(fù)合電子顯微鏡, 沖擊斷面噴碳處理。1. 4. 4沖擊性能:承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司J C 225

8、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī), 按G B1040-92測(cè)試, 試樣尺寸120mm ×10mm ×4mm , 鉗口支距60mm 。1. 4. 5彎曲性能:日本島津A G 2201材料的E 增加明顯, 尤其是SF 經(jīng)偶聯(lián)劑處理后, 復(fù)合材料儲(chǔ)能模量在40時(shí)達(dá)MPa , 比未處理SF (E =MPa 提高2倍; SF SF E 影響最大A 21120一端的雙氨基與酚羥基形成氫鍵, 另一端的Si 2OH 與SF 2OH 形成醚鍵或氫鍵, 由氫鍵形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不僅使SF 和PF 之間的界面粘接作用進(jìn)一步增大, 還可以限制分子鏈段的運(yùn)動(dòng), 從而提高了復(fù)合材料的剛性 。機(jī), 按G B1040-92測(cè)

9、試, ×10×4mm , 跨距為mm 21. 4. 6M 2機(jī), 按G B T3960標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試, 載荷200N , 轉(zhuǎn)速180r min , 試樣尺寸30mm ×6mm ×4mm , 磨損時(shí)間40min 。Fig. 1DMA curves of SF PF hybrid composites with different treatments of SF a :Untreated SF reinforced SF PF composites ; b :Alkali treated SF PF composites ; c :Flame retardant

10、 treated SF PF composites ; d :Coupling agent treated SF PF composites2. 2SF 表面處理對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料損耗因子的高。2. 3SF 表面處理對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig. 1(2 為SF PF 共混復(fù)合材料的力學(xué)損耗因子與溫度的關(guān)系。從該曲線不但能看出力學(xué)損耗因子tan 的變化情況, 還可以看出SF 表面處理對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料T g 的影響。SF 經(jīng)堿處理、阻燃劑處理、偶聯(lián)劑處理后, SF PF 共混復(fù)合材料T g 分別為212、213和216, 而未處理SF 復(fù)合材料的T g影響由T

11、ab. 1看出,SF 經(jīng)偶聯(lián)劑處理后,SF PF 共混復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量分別為25120kJ m 、7218MPa 、6897153MPa , 比未處理SF 復(fù)合材料分別提高了18. 7%、15. 4%、45. 2%; SF 經(jīng)阻燃劑處理、偶聯(lián)劑處理后復(fù)合材料的磨損體積分別為-43-43513×10cm 和616×10cm , 分別比未處理SF 復(fù)合材料減少了78. 2%和72. 8%, 表明SF 表面處理在一定程度上可改善復(fù)合材料的耐磨性。僅為201, 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最大提高15, 說(shuō)明SF 表面處理對(duì)復(fù)合材料T g 的提高有一定作用。原因可能是由于偶

12、聯(lián)劑的引入, 使SF 和PF 之間的界面相容性得到改善, 分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力有所降低, 使T g 升 第2期楊香蓮等:劍麻纖維處理方法對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響97T ab. 1E ffects of SF modif ication on mechanical properties of SF PF hybrid compositesTreatmentsa b cImpact strength(2 4. 385. 044. 91Bending strength( 63. 1467. 7368. 12Bending modulus( 4751. 145704. 316553.

13、21Vickers hardness (2 33. 735. 334. 6Densit (3 1. 811. 821. 83Wear volume (3 0. 002430. 001870. 00053d 5. 2072. 806897. 5335. 31. 820. 00066a :untreated SF reinforced composites ;b :alkali treated SF PF composites ;c :flame retardant treated SF PF composites ;d :coupling agent treated SF PF composit

14、es2. 4SF 表面處理對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料的蠕變和應(yīng)SF 表面處理對(duì)SF PF 共混復(fù)合材料的蠕變有明顯改力松弛的影響聚合物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性和長(zhǎng)期負(fù)載能力, 有重要的實(shí)用性。Fig. 2為SF PF 共混復(fù)合材料的蠕變曲線。由蠕變曲線看到, SF 共混復(fù)合材料的應(yīng)變?cè)?, 經(jīng)阻燃劑處理PF 應(yīng)變分別為0. %, , 說(shuō)明善。Fig. 3SF 。,SF , SF 7711617MPa , 比未處理SF 復(fù)合材料的平衡值分別提高了317倍和313倍, 表明SF 表面處理能使復(fù)合材料的強(qiáng)韌性得到提高, 材料不易發(fā)生變形 。Fig. 2The creep curves of S

15、F PF hybrid compositesa :untreated SF reinforced composites ; b :alkali treated SF PF composites; c :flame retardant treated SF PF composites ; d :coupling agent treated SF PF compositesFig. 3The stress relaxation of SF PF hybrid composites a :untreated SF reinforced composites ; b :alkali treated S

16、F PF composites; c :flame retardant treated SF PF composites ; d :coupling agent treated SF PF compositesFig. 4SEM photographs of imp act fractured surfaces of SF PF hybrid compositesa :untreated SF reinforced composites ;b :alkali treated SF PF composites ;c :flame retardant treated SF PF composite

17、s ;d :coupling agent treated SF PF composites2. 5SF PF 共混復(fù)合材料沖擊斷面的微觀形貌從Fig. 4a 的SEM 形態(tài)圖看, 未處理SF PF 共混復(fù)合材料的沖擊斷面比較清晰、表面十分光滑, SF 與PF 兩相分離明顯。這表明SF 與基體樹脂之間粘接性差, 兩相之間作用力較小, 在沖斷過程中, 纖維很容易和基體樹脂分離, 復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。由Fig. 4(b 、c 、d 可觀察到,SF 表面處理后復(fù)合材料沖擊斷面凹凸不平, 纖維拔出后基體樹脂發(fā)生了明顯的形 98高分子材料科學(xué)與工程2010年變, 且纖維表面有部分樹脂粘附。分析原因,S

18、F 經(jīng)堿處理后纖維表面殘留的果膠、蠟質(zhì)等得到了清除, 纖維表面變得粗糙, 增大了樹脂和纖維表面的粘著面積。偶聯(lián)劑的加入進(jìn)一步增強(qiáng)了纖維與基體樹脂之間的粘接強(qiáng)度, SF 和PF 之間存在一定的相互作用力, 從而使作用在復(fù)合材料上的外力在PF 基體和SF 之間進(jìn)7行傳遞, 實(shí)現(xiàn)了SF 對(duì)基體的增強(qiáng)作用。因此, 當(dāng)材料在承受負(fù)載時(shí), 劍麻纖維將不易被剝離、拉拔, 復(fù)合材料抵抗外力的能力得到提高, 宏觀上表現(xiàn)出復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大提高。3結(jié)論(1 SF 表面處理能很好地改善SF PF 共混復(fù)合材表現(xiàn)出復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大提高。參考文獻(xiàn):1RANA A K , MANDAL A , MITRA

19、B C , et al Short fiber 2reinforced polypropylene composites :effect of compatibilizer J.J. Appl. Polym. Sci. , 1998, 69:3292338.2MITRA B C , BASA K R K , SAR KAR M. Studies on jute 2reinforcedcomposites , its limitations , and some solutions through chemical modifications of fibersJ.J. Appl. Polym.

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21、物與復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析M .北京:化學(xué)料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。SF 經(jīng)偶聯(lián)劑處理后, , 度提高15(2 , SF 表面處理能使SF PF 共混復(fù)合材料的抗變形能力工業(yè)出版社, 2002:75276.7鄭玉濤, 陳就記, 王東山, 等. 偶聯(lián)劑與甘蔗渣PVC 復(fù)合材料性能的研究J.中國(guó)塑料, 2005, 19(6 :94298.ZHEN G Y T , CHEN J J , WAN G D S , et al Effects of coupling agents on properties of bagasse fiber PVC composite J .China Plastics , 2

22、005, 19(6 :94298.提高, 從而提高了材料的蠕變和應(yīng)力松弛性能。(3 復(fù)合材料沖擊斷面SEM 圖表明,SF 表面處理可以改善SF PF 共混復(fù)合材料的界面粘接性, 宏觀上E ffects of Sisal Fiber T reatment on Dynamic Mechanical Properties of SisalFiber Phenol Formaldehyde R esin H ybrid CompositesYAN G Xiang 2lian , WEI Chun , LV Jian , G ON G Y ong 2yang , XION G Xue 2mei(Key

23、 L aboratory of new processi ng Technology f or N onf errous Metals and M aterials , M i nist ry of Education , Depart ment of M aterial and Chem ical Engi neeri ng , Guili n U niversity of Technology , Guili n 541004, Chi na ABSTRACT :In this work , sisal fiber (SF was pretreated by alkali , silane coupling agent A 21120and flame retardant respectively. Sisal fiber phenol formaldehyde (SF PF composites were prepared through compression molding. Effects of three treatments on the dynamic mechanical properties , creep and stress relaxation behavior were studied by dynamic mechanica