不饱和聚酯_剑麻纤维复合材料的制备及其耐磨性能

1、第25卷第2期桂林工学院学报Vol.25No.2 2005年4月JOURNAL OF G U I L I N UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGYAp r12005文章编号:1006-544X(200502-0198-04不饱和聚酯/剑麻纤维复合材料的制备及其耐磨性能牟秋红a,韦春a,欧锦秀b,卢炽华a,钟锦彪a,杨小王a(桂林工学院,a1材料与化学工程系;b1资源与环境工程系,广西桂林541004摘要:采用碱处理、热处理、碱热处理、热-碱处理、乙酰化处理、氰乙基化处理、高锰酸钾处理以及T D I和偶联剂处理等不同的物理和化学方法对剑麻纤维(SF进行处理,然后将SF细化,与

2、不饱和聚酯塑料共混,通过模压成型方式制成不饱和聚酯/剑麻纤维复合材料.研究表明:固定剑麻纤维的用量,采用化学方法处理的SF,其复合材料比采用物理方法处理时材料的耐磨性能好,尤以T D I处理方法为最好,复合材料耐磨性比未处理体系提高了68177%;复合材料的耐磨性能随剑麻纤维含量的增大而变好.关键词:剑麻纤维;不饱和聚酯;表面处理;耐磨性能中图分类号:T Q323142;S56318;T Q327文献标识码:A聚合物基复合材料具有低密度、高比强度、良好的热稳定性、耐冲击、耐腐蚀和耐磨损等优良性能,以及其可设计性、易加工性,目前已广泛应用于航空航天、化工及建筑等工业部门1.随着高性能电器对产品体

3、积、可靠性、长寿命、耐磨性等性能要求的不断提高,传统的玻璃纤维(GF增强电工塑料在耐磨性方面仍有差距.实际使用中常用无机粒子作为改性填料来提高其耐磨性2,而天然植物纤维在这方面的应用较少.剑麻(Sisal是一种多年生的天然硬质纤维作物.剑麻纤维(SF是取自于剑麻叶片中的维管束纤维,具有质地坚韧、拉力强、耐摩擦、耐酸碱、耐海水腐蚀以及耐低温等特点,传统上主要用于制造绳索、麻袋、编织地毯、织布以及造纸等,但这些产品对剑麻纤维的利用水平较低,附加价值不高.由于SF价格低廉、比强度和比模量高,可作为聚合物基复合材料的增强材料.近年来,剑麻纤维增强树脂基复合材料的研究工作已有很多报道3,4,但由于SF吸

4、水性大、与树脂基体的反应性低,所以未经处理的剑麻纤维与树脂基的界面粘结不理想,导致材料的力学性能不高,从而限制了剑麻/树脂基复合材料的应用.笔者对剑麻纤维进行了物理化学改性,制备了不饱和聚酯/剑麻纤维复合材料,分析了剑麻纤维处理方法及用量与复合材料耐磨性的关系.1实验部分111原材料SF为束状白色长纤,广西剑麻集团公司提供,使用前剪成35c m,80烘干;不饱和聚酯塑料(UP,PE410型,广西桂林电器科学研究所生产;丙烯腈,化学纯,上海市试剂三厂生产;K M2 nO4,化学纯,广州试剂三厂生产;冰醋酸,分析纯,广州试剂三厂生产;T D I,分析纯,广州新港化学试剂厂生产;硅烷偶联剂,KH55

5、0型,武汉有机硅材料股份有限公司生产.112S F的表面处理对SF的改性方法包括以下几种,所有处理方法的浴比都控制在125.(1碱处理:将SF丝束浸泡于15%(质量分数,下同的Na OH溶液中,室温下处理4h.烘干备用.收稿日期:2004-09-06基金项目:广西区教育厅科研资助项目(桂教科研200420;广西区学位委员会2003年学位授权点学科建设经费资助项目作者简介:牟秋红(1979-,女,硕士研究生,研究方向:剑麻纤维/聚合物共混及复合材料.E2mail:gl weichuntom1com.(2热处理:将SF丝束置于烘箱中180热空气处理4h,烘干备用.(3热-碱处理:SF丝束先经过18

6、0热空气处理4h,再用5%的Na OH溶液室温浸泡4h,水洗至中性,烘干备用.(4碱-热处理:SF丝束先经过5%的Na OH溶液80下处理4h,水洗至中性、晾干,再在150热空气中处理4h.(5K M nO4处理:碱处理过的SF在011%的K M nO4丙酮溶液中浸泡2h,烘干备用.(6氰乙基化处理:碱处理过的SF于95%的丙烯腈溶液中45下处理2h,烘干备用.(7T D I处理:碱处理后的SF置于CCl4溶液中,滴液漏斗滴加少量T D I,搅拌1h以上直至完全滴完,烘干备用.(8偶联剂处理:在95%的乙醇水溶液中,用醋酸调节其pH值在415515,边搅拌边加入150(体积比的KH-550型硅

7、烷,水解5m in后,放入碱处理后的SF浸渍2h,烘干备用.(9乙酰化处理:将碱处理后的SF放入11 (体积比的醋酸溶液中浸泡2h,烘干备用.113复合材料的制备将处理后的SF粉碎细化,按一定比例加入到UP中混合均匀,在炼塑机上辊炼,使物料进一步混匀.然后将物料粉碎,通过模压成型方式制成样品.工艺条件:加料温度,150;成型温度,150160;成型压力515MPa;固化时间,4m in.114仪器及方法按照G B3960-83标准5,在MM200型磨损试验机上测试复合材料的摩擦磨损性能.摩擦偶件为40mm×16mm×10mm的CCr15(HRC60 62,摩擦试样尺寸为4m

8、m×10mm×30mm.摩擦磨损试验条件为:室温2025,大气干摩擦,空气相对湿度 50%,载荷为15kg,对偶环转速为200r/m in,轴向摆动16次/m in,磨损时间40m in.每次摩擦磨损之前,偶件均经过抛光处理.磨损量用体积磨损V(单位:c m3来表示,由公式V=(m1-m2/计算出磨损体积.式中:m1,m2分别为磨损前后试样质量,g;为试样密度,g/cm3.采用N iKan3型偏光显微镜观察复合材料内部形态并拍照,样品预先经过磨片处理.2结果与讨论211S F物理处理方法对材料摩损性能的影响采用不同的物理化学方法处理SF,固定SF用量为30%(质量分数,下同

9、,测试复合材料的耐磨性(表1.表1S F物理处理方法对S F/U P复合材料耐磨性的影响Table1Effect of different physical methods on the wearresistance of the SF/UP compositi on处理方法m1/g m2/g(m1-m2/g V/(10-2c m3未处理碱处理热处理热-碱处理碱-热处理1.8691.9761.9211.8832.0271.8181.9401.8811.8541.9970.0510.0360.0400.0290.0302.6292.1102.3391.7021.645由表1可知,SF的物理处理方

10、法对复合材料耐磨性的影响较大.热-碱处理和碱-热处理材料的磨损体积分别为1.702和1.645,与未处理时的21629相比,耐磨性高出了35.26%和37.43%.而碱处理和热处理的磨损体积分别为2.110和2.339,虽然均比未处理时小,但材料耐磨性变化不大.这主要是因为,碱处理虽然能除去纤维中部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质,使SF分子取向提高,但是并不能改变纤维的化学结构.同样,200以下热处理,只除去纤维中可能吸附的水分和低沸点物质,或在150以下分解的物质,使SF结晶完善程度提高,对SF分子结构也没有影响4.热-碱处理和碱-热处理正是综合了两种处理方法的优点,从而使复合材料的耐

11、磨性有了明显提高.212S F化学处理方法对材料磨损性能的影响采用不同的化学方法处理SF,固定其用量为30%,测试复合材料的耐磨性.由表2可知,对SF的化学表面处理使复合材料的耐磨性得到了较大提高,处理过的SF复合材料体系的耐磨性均高于未处理体系.其中采用T D I 表2S F化学处理方法对S F/U P复合材料耐磨性的影响Table2Effect of different chem ical methods on the wearresistance of the SF/UP compositi on处理方法m1/g m2/g(m1-m2/g V/(10-2c m3未处理K MnO4处理氰乙

12、基化处理T D I处理乙酰化处理偶联剂处理1.8692.0252.2522.1691.9932.1341.8181.9892.2332.1541.9702.0980.0510.0360.0190.0150.0230.0362.6291.9741.0420.8211.3492.112991第25卷第2期牟秋红等:不饱和聚酯/剑麻纤维复合材料的制备及其耐磨性能处理的耐磨性最好,比未处理时提高了68177%.其它处理方法如氰乙基化处理、乙酰化处理、K M nO 4处理和偶联剂处理,其耐磨性分别比未处理时提高了60137%,48169%,24191%和19167%.分析其原因:氰乙基化处理和乙酰化处理

13、分别在SF 分子链上引入了新官能团,降低了SF 与基体的表面张力,从而提高了纤维与基体的粘合作用;T D I 处理时SF 中的OH 与T D I 中的NC O 反应形成了共价键,增强了树脂与基体的界面偶合作用;偶联剂KH550中含有氨基,它的烷氧基水解后产生的OH 与SF 表面的OH 形成氢键而覆盖在SF 表面,活性氨部分可以与基体反应生成共价键,有助于形成SF 与基体界面的良好结合;K M nO 4处理则可以引发基体与SF 发生接枝聚合反应.总之,化学表面处理改变了SF 表面的化学结构,增强了纤维与基体的粘合,有利于纤维的均匀分散,从而使材料的耐磨性得到提高.213S F 用量对复合材料耐磨

14、性的影响将碱处理(2%Na OH 溶液,80处理4h 过的SF,分别以10%,20%,25%,30%,40%的比例加入UP,制成复合材料并测试其耐磨性.从图1中可知,当w (SF 为10%,20%,25%,30%,40%时,复合材料体系的磨损体积分别为21156,21924,31283,21161和11681.随着SF 量的增加,复合材料的磨损体积减小,这说明复合材料的耐磨性随着SF 的增加变好.由于SF 质地坚韧、耐摩擦,加入树脂以后,纤维支撑了磨损接触面之间的部分载荷, 因此提高了复合材料的耐磨性.图1S F 用量对S F /U P 复合材料耐磨性的影响Fig 11Effect of SF

15、 loading on the wear resistanceof the SF /UP composition214复合材料形貌的S E M 与POM 分析图2为SF 采用氰乙基化处理,用量为10%的SF /UP 复合材料磨面的扫描电镜照片.从图可知,复合材料的整个磨损表面呈凹凸不平特征且有明显的非连续性小犁沟存在,同时还可以看到因材料剥落或粘着在磨损表面只形成轻微的撕裂,并未产生大面积的撕裂纹(图2b .表明复合材料的磨损机制应该是轻微的磨粒磨损,此时,材料有良好的摩擦磨损性能.图3给出了纯不饱和聚酯塑料(图3a 和30%SF /UP 复合材料(图3b 与c 的形貌 P OM 照图2氰乙基

16、化处理的10%S F /U P 复合材料磨损表面型貌的S E M 照片Fig 12SE M mor phologies of worn surface ofcyanoethylation10% SF /UP composite图3复合材料断口表面形貌的POM 分析Fig 13P OM of composites br oken structure (a unsaturated polyester;(b ther mal -alkali treat m entSF /UP composites;(c alkali treat m ent SF /UP composites ,200×(

17、a 不饱和聚酯塑料;(b 热-碱处理SF /UP 复合材料;(c 碱处理SF /UP 复合材料,200×002桂林工学院学报2005年片.可以看出,不饱和聚酯塑料和30%SF /UP 复合材料的断口表面形貌存在明显的差异,前者的照片中可以清楚地看到明显的两相结构,分散相是GF,界面清晰,同时分散相尺寸较大,而观察30%SF /UP 复合材料的形态发现,剑麻纤维呈较细的纤维状分散在基体树脂中,两相界面较为模糊,说明分散较为均匀,界面的粘接性较好.3结论(1在干摩擦条件下,处理后的剑麻纤维可明显提高不饱和聚酯塑料的耐磨性.在本试验条件下,采用化学方法处理的SF 复合材料比采用物理方法处理

18、SF 复合材料耐磨性要好,其中化学法T D I 有最佳的耐磨性能,比未处理时提高了68177%.(2随着剑麻纤维用量的增加,不饱和聚酯/剑麻纤维复合材料的耐磨性变好.主要是因为SF 具有质地坚韧、耐摩擦等优良特性,加入树脂以后,纤维支撑了磨损接触面之间的部分载荷,因此提高了复合材料的耐磨性.参考文献1谢尔登R P .聚合物基复合材料M .陈义芳译.北京:机械工业出版社.1989.2何春霞,史丽萍,沈惠平.纳米A l 2O 3填充聚四氟乙烯摩擦磨损性能的研究J .摩擦学学报,2000,20(2:153-155.3Kuruvilla Joseph,Sabu Thomas .Effect of ch

19、em ical treat m enton the tensile p r operties of short sisal fibre 2reinforced poly 2ethlene composites J .Poly mer,1996,37(23:5139.4牟秋红,韦春,虞锦洪.剑麻纤维的处理方法对其热性能和形态结构的影响J .桂林工学院学报,2004,24(4:469-473.5G B 3960-83,塑料滑动摩擦磨损试验方法S.W ear 2Resist ance Properti es of Un s a tura ted Polyester/S is a l F i ber

20、Com positesMU Q iu 2hong a,W E I Chun a,OU J in 2xiu b,LU Zhi 2hua a,ZHONG J in 2biao a,Y ANG Xiao 2wang a(a 1D epart m ent of M aterials and Che m istry Engineering,b 1D epart m en t of R esources and Environm enta lEngineering,Guilin U niversity of Technology,Guilin 541004,China Abstract:Sisal fibers (SF are p retreated by different techniques such as alkali treat m ent,ther mal treat 2ment,alkali 2ther mal treat m ent,ther mal 2alkali treat m ent,acetylati on,cyanoethylati on,K M nO 4treat m ent,T D I tr