苎麻纤维增强复合材料的研究

苎麻纤维增强复合材料的研究本文综述了国内外苎麻纤维复合材料的发展历史和研究现状。

包括苎麻纤维复合材料的成份和加工工艺、力学行为的表征和特点、各种影响苎麻纤维复合材料力学性能的因素，讨论了提高苎麻纤维复合材料性能的途径和方法。

引言纤维增强聚合物复合材料是从20世纪初开始发展起来的，因其比强度和比模量较大，发展非常迅速，现在广泛用于军事和民用的各个领域。

由于多数复合材料中所用的纤维和树脂具有不可生物降解性，当它们被使用后废弃时将对环境带来危害。

近年来，人们对生态和资源保护愈来愈重视，环境友好型和完全可生物降解型绿色复合材料的研制成为研究的热点之一。

植物纤维来源丰富，价格低廉、易降解、无污染，是很有前景的复合材料原料，尤其是麻纤维以其独特的性能特点引起了人们的关注[1,2,3]。

苎麻纤维的纤维素含量高、强度大、纤长度长，在麻类纤维中性能最为突出，属于高性能的天然植物纤维[4]。

我国是苎麻的主要产地，产量占世界的90%以上。

利用苎麻作为复合材料增强体，开发天然可降解的复合材料，不仅为麻纤维开辟除纺织以外新的应用空间，为苎麻开发利用找到新的增值途径，而且可以探索苎麻纤维增强复合材料新体系，意义十分重大[5]。

然而，苎麻纤维复合材料的开发和应用也面临着许多问题。

比如，极性的、亲水性的苎麻纤维与非极性的、疏水性的树脂基体之间缺乏良好的相容性，从而界面粘结性能比较差。

再者，由于基体的熔体流动性不好往往导致填充物的分散不均匀，从而导致复合材料的总体性能下降。

尽管如此，由于其自身的优点和优势，近两年国内外掀起了研究各种麻纤维复合材料的热潮，有些国家已经进入产业化阶段，而我国麻纤维复合材料的开发尚处在研究探索阶段，但仍具有广阔的市场前景。

本文总结了相关文献并结合自己的实验结果，较为详细地介绍苎麻纤维复合材料的成份和加工工艺，分析其力学性能，提出了提高苎麻纤维复合材料性能的几项措施。

1 苎麻纤维复合材料的成份和加工工艺1.1 基体用于纤维增强复合材料的树脂基体可分为两类：热固性树脂和热塑性树脂。

热固性树脂主要有环氧树脂(EP)、不饱和聚酯树脂(UP)和酚醛树脂，热塑性树脂主要有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等，其中聚乙烯的应用最为广泛。

基体树脂的功能，就是把各种天然纤维增强材料有机地黏合在一起，起着传递载荷和均衡载荷的作用，并赋予优良的性能，使它成为有使用价值的产品。

1.2 增强体选用苎麻作为复合材料的增强项，主要基于以下原因。

麻纤维是天然纤维中纤维长度最长，纤维的强度、结晶度、取向度、纵向弹性模量较高等优点，很适合做树脂基复合材料的增强体。

同时，麻纤维是复合材料的主要承力组分，它不仅提高材料的强度和模量，而且减少收缩，提高热变形温度和冲击强度。

1.3 添加剂为了克服加工过程中的困难，生产出具有良好性能的麻纤维复合材料，通常在加工的过程中需要加入一些添加剂或助剂。

添加剂有润滑剂、分散剂(用来提高填充物在基体中的分散性)、固化剂、促进剂等。

然而提高填充相与基体相之间的相容性以及填充物的分散性则是最重要的两个问题。

为了解决这些问题，通常需要添加偶联剂、相容剂以及改性剂等。

偶联剂可以提高苎麻纤维与树脂基体之间的相容性，同时也可以改善纤维与聚合物之间的界面状况。

硅烷偶联剂和钛酸脂偶联剂是应用最为广泛的两类偶联剂，这两种偶联剂都可以很好地改善聚合物与麻纤维之间的界面相容性，从而提高苎麻纤维复合材料的力学性能。

合适的相容剂有马来酸酐接枝聚合物、异氰酸酯、亚甲基丁二酸酐等。

这些相容剂大部分有羟基或酐基，能够与麻纤维中羟基发生脂化反应，降低纤维的极性和亲水性，因而会与树脂有很好的相容性。

促进剂实质上是一种活化剂，可以促进引发剂活化，加速分解，以引起氧化还原反应使稳定的引发剂变得不稳定，以致在常温下就能迅速分解引发交联过程。

1.4 苎麻纤维复合材料的加工工艺由于苎麻纤维复合材料的树脂基体有两种，所以不同的基体采用不同的加工工艺。

热固性复合材料可以采取长丝缠绕工艺、袋压工艺、拉挤工艺和模压成型工艺等；热塑性复合材料主要采用挤出成型、热压成型和注塑成型，尤其是注塑成型工艺应用最为广泛。

2 苎麻纤维复合材料的研究工作2.1 苎麻纤维复合材料的力学行为苎麻纤维增强复合材料被期望将苎麻纤维和高分子材料的优良性能集于一身，具有很好的力学性能。

这些力学性能包括较高的拉伸强度、弯曲模量、压缩强度、冲击强度和韧性，良好的抗老化能力等。

国内外的许多研究者以及研究机构都在致力于实现麻纤维复合材料力学性能的优化。

影响麻纤维复合材料最终性能的因素有很多。

各组分的物理和力学性质、相间的界面粘结、加工条件、纤维的尺寸分布以及复合材料的结晶性质等都是影响复合材料力学性能的重要参数[6]。

2.2 提高苎麻纤维复合材料力学性能的研究提高苎麻纤维复合材料的力学性能，最重要的是改善麻纤维和树脂基体之间的界面相容性，形成良好的界面粘结。

因此，可以采用麻纤维或基体的预处理来改善界面粘结和纤维分散性，从而得到较好的力学性能。

这些预处理主要包括增强体和基体的化学处理如碱处理、加入异氰酸盐、马来酸酐接枝聚合物等相容剂，对麻纤维进行接枝处理，加入硅烷、钛酸脂等偶联剂等各种方法。

2.2.1 苎麻纤维的预处理及表面改性（1）接枝改性处理我们利用极性小分子TDI与麻纤维接枝反应，改变麻纤维间纤维相互作用力，实现麻纤维的连续化，得到高强度连续麻纤维。

这样，麻纤维素接枝共聚物既有纤维素固有的优良特性，又有合成聚合物支链赋予的新性能。

如耐磨性、尺寸稳定性、粘附性、耐酸性和抗微生物降解性能等。

处理过的苎麻纤维与树脂基体之间形成粘着键，从而增强了二者的界面粘结，提高复合材料的性能。

接枝有机聚合物长链是提高纤维和各种聚合物基体相容性最常用的方法之一，接枝共聚物包括聚合物主链、可与其他聚合物反应或相互作用的接枝官能团[7]。

廖兵等将木纤维碱化预处理后，用丙烯腈进行氰乙醚化改性，与改性钛酸酯处理方法相比，木纤维/线性低密度聚乙烯(LLDPE)复合材料的拉伸强度变大，断裂伸长率增高[8]。

（2）碱处理碱处理是一种通过改性苎麻纤维增强体，来改善其与高分子基体之间相容性的重要方法。

将苎麻用NaOH溶液处理后，苎麻纤维体积有所膨胀，而且除去麻纤维表面的果胶和杂质，形成较粗糙的形貌，从而增强其与基体材料的相互作用，改善界面粘结。

对苎麻纤维进行碱处理时时间要适中。

处理时间太短，大部分胶质和半纤维素等都没有被去除，纤维改性后的性能变化不明显；处理时间太长，则纤维素降解严重，反而会使纤维的力学性能下降。

苎麻织物经碱液预处理后，其层压材料的拉伸性能得到明显的改善，拉伸强度由未处理时的51.2MPa增加到102.6MPa，提高了100.4%[9]。

（3）热处理法和酯化或醚化改性纤维素纤维中有游离水和结合水，游离水可通过干燥除去，结合水则很难除去。

复合过程中水的存在是极其不利的，未经很好干燥的植物纤维在共混过程中因温度上升而失水，就不可避免地在复合材料中产生孔隙和内部应力缺陷[9]。

预干燥常用于植物纤维改性和加工的前处理[10]。

酯化或醚化改性可以降低植物纤维的表面极性，使其易于在基体中分散，从而改善纤维和聚合物的界面相容性[11]。

（4）其他预处理廖双泉采用蒸汽爆破处理技术处理剑麻纤维，通过化学分析方法及扫描电镜、红外光谱、X射线衍射等现代分析手段分析蒸汽爆破处理前后剑麻纤维化学组分和形态结构的变化[12]。

机械的拉伸、压延和混纺等方法也可以改变纤维的结构和表面性质，以利于复合过程中纤维的力学交联作用[9]。

2.2.2 添加合适的界面改性剂用硅烷偶联剂对麻纤维进行预处理是一种广泛使用的改善界面粘结的方法，可以改善增强体与基体之间的界面粘结和其在基体中的分散性，并且降低复合材料的水份吸收率，从而提高复合材料的拉伸强度和模量。

偶联剂的分子结构中一般存在两种有效的官能团：一种官能团可与憎水性的高分子基体发生化学反应或有较好的相容性；另一种官能团可与亲水基团形成键结合[10]。

Kokta等人研究了各种类型硅烷偶联剂在PVC/WF中的效果[13]。

廖兵等研究了改性木纤维对LDPE/木纤维复合材料力学性能的影响。

他们主要采用改性钛酸类偶联剂TC—POT、TC—PBT以及接枝氰乙基对木纤维改性[14]。

Guffey等使用氯化聚乙烯(CPE)做PVC/WF复合材的相容剂，当采用25%氯化程度，高分子量、低结晶度的CPE时，复合材料的熔融强度、破坏伸展率和表面质量有显著的提高[15]。

郑玉涛采用不同表面改性剂(氨基硅烷偶联剂、马来酸酐、苯甲酸和聚乙二醇表面活性剂)对蔗渣纤维(BF)进行处理，研究了表面改性剂的种类及表面改性剂的复配对BF/PVC复合体系力学性能的影响，结果表明，表面改性剂的处理使BF/PVC复合体系的力学性能有不同程度的改善[16]。

2.2.3 树脂基体的改性由于树脂基体表面能低、化学惰性、表面被污染以及存在弱边界层等原因，树脂基体常常呈现出惰性和憎水性，使之难以湿润和黏合。

黄玉东研究了塑料的改性方法主要有化学改性、光化学改性、力化学改性、辐射改性等方法，以此来改变其表面化学组成，增加表面能，改善结晶形态和表面形貌，以提高聚合物表面的湿润性[17]。

2.2.4加工条件和工艺参数的影响复合材料的加工技术、加工条件(如温度、湿度)和基体材料的熔体流动指数是影响其性能的重要因素。

加工方法和基体熔体流动指数对木屑增强聚乙烯复合材料的力学性能的影响Balasuriya等已有了研究[18]。

工艺参数中模具的温度、施加的压力、保温时间和外界环境等也都对苎麻纤维增强复合材料的力学性能有较大影响。

3 结束语在世界范围对环境保护意识日益增强的今天，麻纤维增强复合材料以其独特的优势越来越受到人们关注，它主要有以下特点：(1)密度小，比刚度和比强度较大。

(2)成型工艺性能好(3)材料性能可以设计(4)抗疲劳性能好(5)减振性能好(6)热稳定性好但苎麻纤维增强复合材料还存在一些问题，比如复合材料的界面性能通过物理和化学作用虽有所改善，但其冲击韧性有所下降，拉伸时的断裂应变很小；再者，我们的加工工艺多以注塑成型为主，操作时很容易破坏麻纤维的力学性能，不利于复合材料整体力学性能的提高。

还有工艺流程和工艺参数也有待于继续优化。

只要我们认真总结，继续钻研，麻纤维增强复合材料的应用将更为广泛，发展将更有意义。

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