麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的研究

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1、麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能作者：輕化081王龍摘要麻纖維具有價(jià)廉質(zhì)輕、自然降解、比強(qiáng)度和比模量高等特性，廣泛應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備．本文評(píng)述了這類復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地介紹黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備，分析評(píng)論了麻纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、纖維表面改性以及復(fù)合材料的各種力學(xué)性能．關(guān)鍵詞：復(fù)合材料，評(píng)述，黃麻纖維，聚丙烯纖維，熱塑性樹脂，復(fù)合材料，工藝參數(shù)，力學(xué)性能前言：近年來(lái)，用自然界中資源最豐富的天然植物纖維替代現(xiàn)在廣泛使用的玻璃纖維等合成增強(qiáng)纖維，開發(fā)具有優(yōu)良性能和價(jià)格低的復(fù)合材料的研究，已引起人們的高度重視．植物纖維價(jià)廉質(zhì)

2、輕、比強(qiáng)度和比剛度高以及可生物降解等優(yōu)良特性，是其他的增強(qiáng)材料無(wú)法比擬的．在天然植物纖維中，麻類纖維不僅具有很高的強(qiáng)度和模量，同時(shí)具有纖維素質(zhì)硬、耐摩擦、耐腐蝕的特點(diǎn)．我國(guó)的麻類資源極其豐富，是世界上麻分布最廣、產(chǎn)量最多的國(guó)家之一．目前用麻纖維制備植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究已經(jīng)在歐美、日本和我國(guó)廣泛展開，有的科研成果也已進(jìn)入實(shí)用推廣階段，顯示出良好的應(yīng)用前景．國(guó)內(nèi)已有研究者對(duì)劍麻、黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展分別做了相關(guān)的綜述和評(píng)價(jià)【1-3】，但是還沒(méi)有對(duì)所有麻類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行全面地、系統(tǒng)地評(píng)述．本文在介紹各類麻纖

3、維的概況和特性的基礎(chǔ)上，全面地綜述國(guó)內(nèi)外黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展，歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究的特點(diǎn)，以期促進(jìn)相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。1麻纖維的概況和力學(xué)性能按照從其植物本體抽取部位的不同來(lái)定義區(qū)分，各類麻纖維包括一年生或多年生草本雙葉子植物皮層的韌皮纖維和單子葉植物的葉纖維．韌皮纖維主要有苧麻(Ramie)、亞麻(Flax)、黃麻(Jute)、大麻(Hemp)和洋麻(Kenaf)等；葉纖維則包括劍麻(Sisa1)和蕉麻(Abaca)等．其中黃麻和洋麻等韌皮纖維胞壁木質(zhì)化，纖維短，多用于紡制繩索和包裝用麻袋等；亞麻等胞壁不

4、木質(zhì)化，纖維的粗細(xì)長(zhǎng)短同棉纖維相近，廣泛用于紡織原料等；葉纖維則比韌皮纖維粗硬，主要用于麻繩、麻袋和手工藝品等。麻纖維具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出典型的復(fù)合材料特征．不同種類的麻纖維其細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度分布在5—50mm和20—507m；其橫截面為有中空腔的腰圓形或多角形，縱向有橫節(jié)和豎紋．各類麻纖維主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠等組成，其化學(xué)成分組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)列于(表1)[4]．麻纖維因其組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及連續(xù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)等原因，具有良好的力學(xué)性能和可加工性(表2)[4]，但是其力學(xué)性能則因其生長(zhǎng)條件、抽取部位和種植時(shí)間不同

5、而不同．2黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)體：黃麻學(xué)名CorchorusCapsularisL．，又名絡(luò)麻、綠麻，一年生草本植物．黃麻纖維的硬度很高，具有較高的比強(qiáng)度和比模量的特點(diǎn)，但是與玻璃纖維相比，仍有彎曲強(qiáng)度低、吸濕性大、染色性差等缺點(diǎn)．因此，在黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備過(guò)程中，需要解決復(fù)合材料的耐水性差以及界面強(qiáng)度低下等問(wèn)題．基體：聚丙烯7一種用途廣泛的高分子材料，等規(guī)聚丙烯因其低溫脆性和收縮率大等缺陷，導(dǎo)致制品易變形且耐沖擊性差，在一定程度上限制了它應(yīng)用范圍，聚丙烯的長(zhǎng)處與麻纖維相結(jié)合，制定復(fù)合材料，取長(zhǎng)補(bǔ)短。PP是一種

6、半結(jié)晶性材料。它比PE要更堅(jiān)硬并且有更高的熔點(diǎn)。由于均聚物型的PP溫度高于0C以上時(shí)非常脆因此許多商業(yè)的PP材料是加入1~4%乙烯的無(wú)規(guī)則共聚物或更高比率乙烯含量的鉗段式共聚物。聚物型的PP材料有較低的熱扭曲溫度（100℃）、低透明度、低光澤度、低剛性，但是有更強(qiáng)的抗沖擊強(qiáng)度。PP的強(qiáng)度隨著乙烯含量的增加而增大。PP的維卡軟化溫度為150C。由于結(jié)晶度較高，這種材料的表面剛度和抗劃痕特性很好。PP不存在環(huán)境應(yīng)力開裂問(wèn)題。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有優(yōu)良的抗吸濕性、抗酸堿腐蝕性、抗溶解性。然而，它對(duì)芳香烴（如苯）溶劑、

7、氯化烴（四氯化碳）溶劑等沒(méi)有抵抗力。PP也不象PE那樣在高溫下仍具有抗氧化性。改性劑和預(yù)處理纖維：硅烷偶聯(lián)劑和馬來(lái)酸酐改性機(jī)理研究現(xiàn)狀：MAPP分子中有大量的羧基或酸酐基，這些基團(tuán)能夠與纖維中的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，減少了引起纖維極性和吸濕性的羥基的數(shù)目，同時(shí)該共聚物長(zhǎng)鏈又能與聚丙烯作用，如發(fā)生相互纏結(jié)或產(chǎn)生共結(jié)晶現(xiàn)象。這樣提高了天然纖維與聚丙烯的界面親和性。MAPP在基體中起一個(gè)橋梁作用，一方面，它可以與纖維發(fā)生酯化作用，由于天然纖維結(jié)晶度較高，反應(yīng)過(guò)程只能中體積相對(duì)較大的MAPP分子很難滲入到天然纖維的內(nèi)部，因此，MAPP

8、和天然纖維的反應(yīng)大部分集中在天然纖維的表面。另一方面，在MAPP分子鏈的末端是很長(zhǎng)的聚丙烯鏈段，它可以和聚丙烯基體發(fā)生相互纏結(jié)，接枝鏈段聚丙烯與基體聚丙烯的晶型相同，而晶型相同的兩種聚合物混合時(shí)，可以產(chǎn)生共結(jié)晶現(xiàn)象，彼此進(jìn)入對(duì)方的晶格。這樣無(wú)疑提高了體系的相容性，這是MAPP增容的優(yōu)勢(shì)所在，是別的相容性