VARTM制備麻纖維增強環氧樹脂復合材料研究*

李 偉，黃虹云，吳永慶

(湖南大學 材料科學與工程學院, 湖南 長沙 410082)

VARTM制備麻纖維增強環氧樹脂復合材料研究*

李 偉?，黃虹云，吳永慶

(湖南大學 材料科學與工程學院, 湖南 長沙 410082)

通過對黃麻纖維熱處理、堿處理、硅烷偶聯劑處理和異氰酸酯處理進行表面改性，并對改性黃麻纖維布進行熱壓工藝處理，最后采用VARTM成型工藝制備黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料，并對其性能進行了系統研究.通過掃描電鏡(SEM)分析表明，熱處理和堿處理的黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料的界面粘結未得到明顯改善，而通過硅烷偶聯劑和異氰酸酯處理的黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料的界面粘結性能得到了顯著的提高.將硅烷偶聯劑和異氰酸酯處理的黃麻纖維布通過熱壓處理不僅可以增加復合材料中黃麻纖維體積含量，而且可以提高復合材料的綜合性能，復合材料力學性能研究表明，經硅烷偶聯劑處理后的黃麻纖維增強復合材料拉伸強度、模量和彎曲強度分別提高了18.6%，71.4%和50.2%.經異氰酸酯處理的黃麻纖維增強復合材料的拉伸強度、模量和彎曲強度分別提高了16.3%，34.0%和50.3%.

黃麻纖維；復合材料；熱壓工藝；硅烷偶聯劑；異氰酸酯

麻纖維是一種天然植物纖維，具有價格低廉、可生物降解、優良的力學性能等優點.相比于合成纖維，天然麻纖維具有更好的吸能效果，能制造出高性能的復合材料，可廣泛地應用于汽車制造工業[1-2].

麻纖維種類較多，常見的麻纖維有苧麻[3]、黃麻、亞麻等.黃麻是最廉價的天然纖維之一，黃麻纖維纖維素質量分數約為57%～60%，單纖細度為15～18 μm，單纖長度為1.5～5 mm，因為單纖維短且長度參差不齊，故無法單纖維紡紗.黃麻纖維具有不規則的多邊形混合截面，吸濕性和透濕性較苧麻要高2%～4.5%.其生物分解性好，初始彈性模量高，不起球，抗菌能力優異，生產成本低，因此具有很好的市場應用前景.

麻纖維由纖維素、半纖維素、木質素、果膠和脂肪蠟質組成，不同麻纖維組成有差別.麻纖維的主要成分為纖維素，纖維素分子結構中含有大量的羥基，故麻纖維表面極性較大，表現出強的親水性，容易從空氣中吸收水份，導致麻纖維與基體材料的界面結合不佳.而且天然麻纖維的大分子結晶度和取向度高，纖維外表面粗硬、無卷曲且勾結強度低.所以將麻纖維作為樹脂基復合材料的增強材料時，一般需要對麻纖維進行表面改性處理[1，3-5].

目前麻纖維的表面改性處理主要有熱處理、堿液處理[6]、硅烷偶聯劑處理[7]、異氰酸酯處理[8]、等離子體處理[9]等方式.通過表面改性可提高麻纖維的界面性能，改善纖維與基體樹脂的潤濕性，使復合材料力學性能顯著提升[10].將改性麻纖維用于樹脂基復合材料的增強材料時可以獲得綜合性能優良的樹脂基復合材料[11].

環氧樹脂是制造樹脂基復合材料的一種常用的基體樹脂，最常見的復合材料是玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料(玻璃鋼).雖然環氧樹脂在樹脂基復合材料中的使用成史已經比較悠久，但是對環氧樹脂基復合材料的研究仍然是當今的熱點[12].作為一種基體樹脂，環氧樹脂具有種類繁多、容易滿足設計需求的優點，但也存在不導電、性脆等缺點，在制備環氧樹脂基復合材料時，有時也需要對樹脂進行改性，從而獲得其優異的性能[13].

真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)成型工藝是先進復合材料制造技術的主要發展方向之一，現已廣泛應用于船艦、航空、航天、汽車等領域.VARTM工藝是先將增強材料放置于模腔中，然后合模、抽真空排除模腔中的氣體，再在一定的溫度和壓力下將液態樹脂注入模腔內，使之與增強纖維充分潤濕，在一定溫度下固化、后固化，最后經脫模得到復合材料制品.

本文以環氧樹脂為基體，可生物降解的黃麻纖維作為增強材料，通過改變傳統的工藝路線，增加對黃麻纖維布進行熱壓工藝處理，該工藝不僅可以提高復合材料中麻纖維的體積分數，而且對改善復合材料的力學性能有明顯的效果，采用VARTM工藝制備麻纖維增強環氧樹脂復合材料并進行了系統研究.

1 實驗過程

1.1 黃麻纖維表面處理

熱處理是將黃麻纖維放入鼓風干燥箱中，分別在120 ℃,150 ℃和180 ℃下處理4 h，將麻纖維取出后置于真空密封條件下保存備用.堿處理是將黃麻纖維布浸入(質量分數)2%的NaOH溶液中，于60 ℃下處理4 h，再用去離子水洗滌至中性并在80 ℃干燥.硅烷偶聯劑處理是將KH-550配制成(質量分數)3%的乙醇溶液，然后把黃麻纖維布浸入溶液中10 min，取出纖維布放置在空氣中30 min，最后90 ℃烘干.異氰酸酯處理是將黃麻纖維布放入異氰酸酯的丙酮溶液中，以濃硫酸為催化劑，在55 ℃油浴加熱反應5 h，取出用丙酮洗滌后80 ℃烘干.模具和復合材料樣品見圖1．

1.2 黃麻纖維布的熱壓工藝

為了提高復合材料中麻纖維的含量，將表面處理的黃麻纖維布裁成190 mm×140 mm的規格，整齊疊放在平板熱壓機模具中，在1 MPa和100 ℃條件下熱壓30 min.

圖1 模具和復合材料樣品

1.3 黃麻纖維布增強環氧樹脂復合材料的制備

將黃麻纖維布剪裁成190 mm×140 mm的規格并精確稱量其質量后整齊鋪放在VARTM模腔中，合模；模具一端導管連接真空泵，一端連接注射系統，中間部分接入壓力表用來測量模腔中的壓力.通過抽真空排除模腔內的空氣，然后將混合好的樹脂注入模腔中；模腔注滿后封住連接真空泵的一端，繼續注射，使模腔內的壓力達到1 MPa，然后封閉所有端口；將模具放入烘箱中60 ℃固化20 h，脫模取出板材；將復合材料板在80 ℃下固化5 h.

1.4 材料性能表征

采用FEI QUANTA 200 掃描電鏡觀察復合材料斷裂面的形態.黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料按照GB/T 1447-2005和GB 1449-2005進行切割并銑到規定的形狀和尺寸，所以樣品在Instron3369萬能試驗機上進行拉伸測試和三點彎曲測試.

2 實驗結果與討論

2.1 不同表面處理對復合材料斷面形貌的影響

從未表面處理黃麻纖維復合材料斷面SEM圖(圖2)可見，斷裂面麻纖維拔出長度較大，且纖維表面未粘有樹脂，這充分說明黃麻纖維與基體樹脂的界面結合非常差，將直接導致復合材料的力學性能較低，所以欲獲得良好界面粘結強度的復合材料必須對黃麻纖維進行表面改性處理.

圖2 未表面處理黃麻纖維復合材料斷面SEM圖

將黃麻纖維分別在120 ℃，150 ℃和180 ℃條件下熱處理4 h，并將其與環氧樹脂制成復合材料.圖3為熱處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM圖，從圖3(a)(b)可見，120 ℃熱處理黃麻纖維增強復合材料斷面黃麻纖維拔出長度仍然較長，黃麻纖維表面光滑，基本未粘有樹脂，這說明黃麻纖維與樹脂界面結合仍然不佳.圖3(c)(d)為150 ℃熱處理黃麻纖維復合材料斷裂面，可以看出黃麻纖維拔出長度明顯短于120 ℃熱處理的樣品，同時黃麻纖維表面粘有少量樹脂，這證明了黃麻纖維與樹脂的界面結合得到了改善.圖3(e)(f)為180 ℃熱處理黃麻纖維增強復合材料，從圖中能明顯地看出黃麻纖維拔出的長度進一步縮短，但黃麻纖維表面粘附的樹脂仍然不多.由此可見，通過熱處理的黃麻纖維增強復合材料可有限地提高黃麻纖維與樹脂的界面結合，但單純通過對黃麻纖維熱處理使復合材料力學性能提高的效果仍不太明顯.

堿處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM如圖4所示，可見斷裂拔出的黃麻纖維表面粘有較多的樹脂，說明黃麻纖維與樹脂的界面結合得到了較大的改善，但纖維拔出的長度比較長.

硅烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料斷面SEM如圖5所示．從圖5(a)(b)可見，與熱處理和堿處理黃麻纖維相比較，硅烷處理的黃麻纖維制備的復合材料斷裂后纖維拔出的長度更短.圖5(c)(d)中拔出的黃麻纖維表面粘有較多的樹脂，黃麻纖維的根部與樹脂的縫隙也非常小，這充分說明了黃麻纖維與樹脂界面結合良好，復合材料的力學性能得到了顯著提高.

圖3 熱處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM圖

圖4 堿處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM圖

用六亞甲基二異氰酸酯(HDI)處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM如圖6所示，由圖6(a)(b)可看出，黃麻纖維拔出長度較短，與硅烷處理后的情況基本一致，而由圖6(c)(d)可清楚地看到黃麻纖維表面粘有大量的樹脂，所以可以確定黃麻纖維和環氧樹脂經過異氰酸酯處理后的界面結合良好.

圖5 偶聯劑處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM圖

圖6 異氰酸酯處理黃麻纖維增強復合材料斷面SEM圖

綜上所述，將黃麻纖維進行熱處理和堿處理對復合材料的界面結合作用提升不大；而硅烷處理和異氰酸酯處理可以顯著提高黃麻纖維與基體樹脂的界面結合；為了進一步證明以上結果，將對復合材料的力學性能進行測試和分析.

2.2 復合材料力學性能分析

2.2.1 拉伸性能

影響樹脂基復合材料性能的主要因素有增強材料、基體樹脂以及基體與增強材料的界面粘接強度等.為了提高復合材料中黃麻纖維的體積分數，實驗中將黃麻纖維布進行熱壓工藝處理，黃麻纖維未經熱壓制備的復合材料麻纖維體積分數為27.3%，經熱壓的樣品黃麻纖維體積分數可提高到33.6%.純環氧樹脂、未熱壓黃麻纖維復合材料及熱壓黃麻纖維復合材料試樣拉伸性能測試結果見表1，未熱壓麻纖維復合材料比純環氧樹脂試樣的拉伸強度增加了25.3%、拉伸模量提高了52.9%；而黃麻纖維布經熱壓后制備的復合材料比純環氧樹脂試樣拉伸強度則增加了51.2%、拉伸模量提高達111.4%.黃麻纖維熱壓工藝使復合材料中纖維含量提高了6.3%，當基體樹脂的粘度足夠低時，在滿足樹脂對增強材料的充分浸潤前提下，制備出來的復合材料將具有更好的力學性能.可見黃麻纖維的熱壓工藝對提高黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料的拉伸性能具有重要意義.

表1 不同處理條件下的黃麻纖維增強復合材料拉伸強度和模量

Tab.1 The tensile strength and modulus of jute fiber with different treatment reinforced composites

復合材料性能環氧樹脂纖維未處理偶聯劑處理纖維HDI處理纖維熱壓工藝拉伸強度39.559.763.963.2是/MPa39.549.559.057.6否拉伸模量2653.45609.27325.67796.7是/MPa2653.44057.27060.25435.8否

由表1可知，當黃麻纖維未經熱壓處理時，與未表面處理的黃麻纖維增強復合材料相比較，硅烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強復合材料的拉伸強度提高了18.6%，異氰酸酯處理則提高了16.3%；硅烷偶聯劑處理黃麻纖維增強復合材料的拉伸模量提高了71.4%，異氰酸酯處理只提高了34.0%.當黃麻纖維經熱壓工藝處理后，硅烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強復合材料的拉伸強度只提高了7.0%，異氰酸酯處理也只提高了5.8%；硅烷偶聯劑處理麻纖維增強復合材料的拉伸模量增加了30.6%，異氰酸酯處理則增加達37.0%.由此可見，熱壓工藝、硅烷偶聯劑和異氰酸酯處理黃麻纖維可明顯提高復合材料的拉伸強度和拉伸模量，這主要是由于熱壓工藝提高了復合材料中纖維的體積分數，硅烷偶聯劑和異氰酸酯處理黃麻纖維能有效地改善黃麻纖維和樹脂基體的界面粘結強度，能有效地將外力在纖維和樹脂之間進行傳遞，最終達到改善復合材料的拉伸性能的結果.

2.2.2 彎曲性能

黃麻纖維的熱壓工藝對復合材料彎曲強度的影響見表2，未熱壓的黃麻纖維增強復合材料的彎曲強度比純樹脂只提高了14.4%，但是熱壓處理后顯著提高達到了91.9%.可見黃麻纖維熱壓處理對提高黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料的彎曲強度具有重要影響.

表2 不同方法處理的黃麻纖維增強復合材料彎曲強度

Tab.2 The flexural strength of jute fiber with different treatment reinforced composites

復合材料性能純環氧樹脂纖維未處理偶聯劑處理纖維HDI處理纖維熱壓工藝彎曲強度150.3287.8301.4291.2是/MPa150.3171.6257.8257.9否

在黃麻纖維未進行熱壓工藝處理時，與未表面處理的黃麻纖維增強復合材料比較發現，經硅烷偶聯劑處理的黃麻纖維增強復合材料的彎曲強度提高了50.2%，經異氰酸酯處理也提高了50.3%.在黃麻纖維經熱壓處理時，經硅烷偶聯劑處理黃麻纖維增強復合材料的彎曲強度提高了4.6%，經異氰酸酯處理黃麻纖維增強復合材料提高了1.2%.可見硅烷偶聯劑和異氰酸酯處理都能使黃麻纖維增強復合材料的彎曲強度得到提升，但是經熱壓工藝處理后更有利于復合材料彎曲強度的提高，并且可以適當減小黃麻纖維的表面處理程度，降低對增強材料性能的破壞，這將更有利于制備高性能復合材料的要求.

3 結 論

采用硅烷偶聯劑、異氰酸酯等對黃麻纖維表面處理和麻纖維熱壓工藝，通過VARTM成型工藝制備黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料，得出以下結論：

1)與熱處理和堿處理相比，硅烷偶聯劑和異氰酸酯對黃麻纖維表面處理可有效改善黃麻纖維與環氧樹脂的界面結合，顯著提高復合材料的力學性能.

2)黃麻纖維熱壓工藝處理可增加復合材料中黃麻纖維的體積含量,達到提高復合材料的力學性能的目的，未表面處理的黃麻纖維經熱壓工藝處理后制備的復合材料纖維含量提高了6.3%，拉伸強度、拉伸模量和彎曲強度分別提高了20.6%，38.3%和67.7%.

3)硅烷偶聯劑處理和異氰酸酯處理的黃麻纖維經熱壓處理制備的復合材料，其力學性能得到了顯著提高，而黃麻纖維的熱壓工藝處理對黃麻纖維增強復合材料的性能提高具有重要的影響.

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Preparation of Jute Fibers Reinforced Epoxy Resin Composites by VART

LI Wei?，HUANG Hong-yun, WU Yong-qing

(College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China)

In this research, the jute fibers were first treated with heating, alkali, silane coupling agent and isocyanate respectively, then the jute fibers fabrics were treated with hot pressing process, and finally, the jute fiber reinforced epoxy resin composites were fabricated with VARTM molding process. Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis shows that the interface bonding of jute fibers treated with heating and alkali reinforced epoxy resin composites has not been improved, but the interface bonding of composites has been significantly improved with the jute fibers treated with silane coupling agent and isocyanate. The hot-pressing process can not only increase the jute fibers volume content in the composites but also improve the performance of composites by the jute fibers treated in advance with silane coupling agent and isocyanate. The mechanical properties of the composites show that tensile strength, modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the silane coupling agent reinforced composite increase by 18.6%, 71.4% and 50.2%, respectively, and the tensile strength, modulus and flexural strength of the jute fiber treated with the isocyanate reinforced composite increase by 16.3%, 34.0% and 50.3%, respectively.

jute fiber；composites；hot pressing process；silane coupling agent；isocyanate

2015-01-07

湖南省科技計劃資助項目(2013WK3018)

李 偉(1975-)，男，湖南望城人，湖南大學講師，博士

?通訊聯系人，E-mail:liwei5168@hnu.edu.cn

1674-2974(2015)12-0015-06

TQ327.8

A