全 文 ：　第 25 卷第 7 期 高分子材料科学与工程 Vol.25 , No.7
　2009 年 7 月 POLYMER MA TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Jul.2009
剑麻纤维增强酚醛模塑料的性能
孙同甲 , 范　宏 , 谭　军 , 李伯耿
(浙江大学聚合反应工程国家重点实验室 ,浙江 杭州 310027)
摘要:采用剑麻纤维(SF)作增强填料 , 辅以其它助剂 ,与酚醛树脂(PF)混合 、辊炼 、粉碎制备酚醛模塑料。研究了 SF 表
面处理方法 、含量变化对酚醛模塑料性能的影响 , 对比了 SF、玻璃纤维(GF)和普通木粉填料的增强效果。结果表明 , SF
对于模塑料的增强作用优于普通木粉填料 ,耐冲击性能则优于 GF。 SF 含量对酚醛模塑料的力学性能 、热性能和吸水性
能影响较大。SEM 观察结果表明 , 经碱热和偶联剂表面处理的 SF与基体树脂的界面粘接作用得到了明显改善 ,酚醛模
塑料具有较好的综合性能。
关键词:剑麻纤维;酚醛树脂;酚醛模塑料;增强
中图分类号:TQ323.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-7555(2009)07-0045-04
收稿日期:2008-05-13
通讯联系人:范　宏 ,主要从事聚烯烃高性能化及先进复合材料制备与技术的研究 , E-mail:hfan@zju.edu.cn
　　酚醛模塑料是以酚醛树脂为基体 ,辅以填料经混
合 、辊炼 、粉碎制得的热固性材料 ,适用于热压或注塑
成型加工 。由于原料易得 、价格低廉 、成型制品综合性
能优良而广泛应用于电讯 、电器 、汽车 、日用器皿等行
业制品的制备[ 1] 。普通酚醛模塑料以木粉为主增强
填料 ,辅以少量矿物粉体制备而成 ,虽然成本较低 ,但
成型制品存在着强度低 、耐热性差等缺点 ,难以应用在
高端领域。剑麻纤维是一种新型增强材料 ,取自天然
植物剑麻的叶片表面 ,属于天然可再生资源 ,价格低
廉 ,同时具有韧性高 、拉力强 、耐腐蚀等优良性能 ,可用
来增强树脂基复合材料[ 2] 。近年来 ,剑麻纤维已被用
于增强聚烯烃 、橡胶 、聚酯等体系制备复合材料[ 3 ～ 5] 。
本实验采用剑麻纤维取代部分木粉填料配以少量无机
矿物填料制备酚醛模塑料 ,研究了剑麻纤维表面处理
方式 、用量对酚醛模塑料力学性能 、耐热性能及吸水性
能的影响 ,对比了剑麻纤维 、玻璃纤维和普通木粉填料
的增强效果。
1　实验部分
1.1　原材料
剑麻纤维:广西剑麻集团公司 ,使用前短切至 4
mm ～ 6 mm;酚醛树脂(novalac):浙江省嘉民塑胶有限
公司 ,牌号为 2123;氢氧化钠 、乙醇:化学纯 ,其它试剂
皆为工业品。
1.2　SF的表面处理
碱热处理:将 SF 丝束浸泡于 2 %的 NaOH 水溶
液中 ,常温处理 2 h ,再用去离子水洗涤至中性 ,晾干 ,
放入烘箱中 150 ℃恒温干燥 4 h。
KH-550硅烷偶联剂处理:将碱热处理后的 SF 浸
泡在质量分数为2%的KH-550的乙醇溶液中 30 min ,
取出烘干备用。
Tab.1　The basic recipe of phenolic molding compounds
(%)
Phenolic
resin
SF+w ood
pow der
Inorganic
filler
Curing
agent
Other
agents
44 30 10 7.5 8.5
1.3　酚醛模塑料及试验样条的制备
将剑麻纤维与适量木粉 、固化剂 、无机填料 、润滑
剂 、增塑剂等加入到酚醛树脂中进行混合 , 配方见
Tab.1 ,在开炼机(X(S)K-160 ,无锡市橡胶塑料机械
厂)上辊炼 ,空转筒温度控制在 130 ℃左右 ,工作筒温
度控制在 110 ℃左右 ,辊炼 4 min ～ 5 min ,冷却后粉
碎 ,制得酚醛模塑料 。称取适量酚醛模塑料 ,放入烘箱
中于 105 ℃预热 15 min后取出 ,加入到模具中 ,在四
柱液压机(瑞安市华联液压机械有限公司)中模压成
型 ,模压条件:压力 30 MPa ,温度 160 ℃,时间 1 min/
mm 。
1.4　性能测试
1.4.1　冲击强度:采用 XJJ-5 冲击试验机按 GB/T
1043-93硬质塑料简支梁冲击试验方法测定。
1.4.2　弯曲强度:采用微机控制电子万能试验机(泰
安安太检测设备有限公司)按 GB 9341-88塑料弯曲
性能试验方法测定 , 跨距 80 mm , 试验速度 2 mm/
min。
1.4.3　热变形温度:采用热变形温度测定仪 XRW-
300按 GB 1634-88塑料弯曲负载热变形温度试验方
法测定。升温速率 120 ℃/min。
1.4.4　吸水性:按 GB 1034-86 塑料吸水性试验方
法测定。采用吸水 百分率 Wm 来表 示 , Wm =
m 2-m 1
m 1
, 其中:m 1 ———浸泡前试样的质量 , mg;
m 2 ———浸泡后试样的质量 ,mg 。
1.4.5　剑麻纤维分散形态:缺口冲击样条经冲击试验
后 ,取其断面 ,经镀金处理 , 在扫描电镜(SEM , S-570
型 ,日本日立公司)下观察剑麻纤维在其中的分散形
态。
2　结果与讨论
2.1　SF表面处理方法对酚醛模塑料性能的影响
将未处理与碱热处理以及 KH-550处理的剑麻纤
维分别加入到酚醛树脂体系中 ,固定含量为 20%(本
文中的百分含量均为质量分数),制得酚醛模塑料 ,测
试其冲击强度 、弯曲强度以及热变形温度 , 结果见
Tab.2。
Tab.2　Effect of surface treatments of sisal fibers on the
properties of phenolic molding compounds
Surface
t reatment
Impact
st rength
(kJ/m2)
Flexural
st rength
(MPa)
Heat distort ion
temperature(℃)
Untreated 3.35 80.30 186.02
Alkali-thermal 3.75 93.53 190.68
KH-550 4.55 93.35 187.91
　　由 Tab.2可知 ,经过碱热处理和 KH-550处理的
剑麻纤维增强酚醛模塑料的力学性能和耐热性能都优
于未经处理的剑麻纤维增强酚醛模塑料 。这是因为碱
热处理能够除去 SF 中部分果胶 、木质素和半纤维素
等低分子杂质 ,以及 150 ℃以下分解的物质 ,使得 SF
纤维取向以及结构完善程度提高 ,有效提高了 SF 的
增强作用 。KH-550 含有氨基 ,它的烷氧基水解后产
生的-OH 与 SF 表面的-OH 键合而覆盖在 SF 表
面 ,活性氨部分可以与基体树脂反应生成共价键 ,有助
于形成 SF 与树脂基体界面的良好结合 ,从而使得酚
醛模塑料具有更好的性能 。
2.2　剑麻纤维与玻璃纤维及普通木粉填料增强效果
的对比
填料在酚醛模塑料中起着重要的增强作用。普通
酚醛模塑料以木粉为主体填料 ,辅以少量矿物粉体 ,增
强型酚醛模塑料则多含有玻璃纤维 。选用剑麻纤维和
少量无机粉体相复配的填料体系 ,与木粉填充体系及
玻璃纤维填充体系相对比 ,结果见 Tab.3 。
Tab.3 　Effect of different fillings on the properties of
phenolic molding compounds
Filling
Impact
st rength
(kJ/m2)
Flexural
st rength
(MPa)
Heat distort ion
temperature(℃)
Wood powder 2.00 78.40 171.07
Sisal fiber 3.75 93.53 190.68
Glass fiber 2.86 105.67 197.97
contents of diff eren t fillings are set to 20%
　　由 Tab.3 可知 ,两种纤维的增强效果都优于木粉
填料 ,这是由于在纤维增强体系中 ,能够形成以纤维为
骨架 ,无机粉体为微填充的材料结构体系 ,形成缜密的
材料结构 ,使得体系的薄弱环节减少 ,成型材料具有较
高的力学性能和耐热性能。相比玻璃纤维 ,剑麻纤维
的韧性突出 ,拉伸强度和耐热性都稍差 ,使得酚醛模塑
料的弯曲强度和热变形温度低于玻纤增强酚醛模塑
料 ,但冲击强度优于玻纤增强酚醛模塑料。
2.3　SF含量对酚醛模塑料性能的影响
酚醛模塑料中的 SF 含量应有一个最佳值才能赋
予材料最佳性能 ,以不同质量分数的剑麻纤维(碱热处
理 ,与木粉复配增强 ,固定总量 30%)来增强酚醛模塑
料 ,考察其力学性能 、热变形温度以及吸水性能。
2.3.1　酚醛模塑料的力学性能:Fig.1为 SF 含量对
酚醛模塑料冲击 、弯曲强度的影响 。从图中可知 ,随着
SF 含量的增加 ,酚醛模塑料强度呈现先增后减的趋
势 ,在 20%含量时 ,弯曲强度达到最高值 93.53 MPa ,
在 25%含量时 ,冲击强度达到最高值 4.00 kJ/m2 。这
是因为SF 具有良好的韧性 ,填充量较低时 ,SF 在酚醛
模塑料体系中不能形成有效的骨架结构 ,少量 SF 的
加入所起的增强作用不足以抵消纤维在基体树脂中形
成的应力缺陷所起的破坏作用 ,所以加入少量的 SF
对酚醛模塑料所起的增强作用有限 。随着 SF 含量的
增多 ,表面处理过的 SF 能够在体系中达到良好分散 ,
并与基体树脂以及少量的无机粉体填充物形成良好的
界面粘接 ,使得复合材料所受应力分布均匀 ,强度得以
46 高分子材料科学与工程 2009年　
提高。进一步增加 SF 的含量 ,由于混合以及辊炼工
艺的影响 ,导致 SF 在酚醛模塑料中分散程度下降 ,致
使酚醛模塑料的弯曲强度和冲击强度呈现下降趋势。
　
　
2.3.2　酚醛模塑料的耐热性能:Fig.2为 SF 含量对
酚醛模塑料热变形温度的影响 。从图中可知 ,不加 SF
的酚醛模塑料的热变形温度较低 ,只有 171.07 ℃,随
着SF 的含量增加 ,酚醛模塑料的热变形温度也逐渐
上升 , 当含量为 30%时 , 热变形温度达到最高值
193.01 ℃。这是因为 SF 本身具有良好的耐热性 ,其
次在复合材料体系中 ,添加剑麻纤维能够形成以剑麻
纤维为基本骨架 ,无机粉体为微填充的材料结构体系 ,
形成缜密的材料结构 ,有效提高了酚醛模塑料的热变
形温度。
Fig.3　Effect of sisal fiber content on the water absorption of
phenol ic molding compounds
2.3.3　酚醛模塑料的吸水性能:Fig.3为 SF 含量对
酚醛模塑料吸水性能的影响 。从图中可知 ,随着 SF
含量的增加 ,酚醛模塑料的吸水性能也逐步增加 ,一方
面由于 SF 本身作为天然植物纤维吸水性较大;另一
方面 ,SF 含量增加后 ,暴露在材料表面的 SF 也随之增
加 ,加剧了材料的吸水性 。
2.4　材料结构形态分析
Fig .4是剑麻纤维增强酚醛模塑料经热压成型后
材料的冲击断面 SEM 照片(SF 含量 20%)。在 Fig.
4a中 ,断裂面上拔出的 SF 表面比较光洁 ,粘附在其上
的树脂较少 ,说明未经表面处理的 SF 与基体树脂的
界面相容性较差 ,当材料受到外力冲击时 , SF 易从材
料结构体系中拔出 ,使得复合材料的冲击强度较低。
Fig.4b 、Fig.4c中 ,采用碱热 、偶联剂处理 SF 表面后 ,
一方面使得 SF 表面沟槽加深 ,表面活性提高 ,增强了
SF 与树脂基体及其它无机填料的表面粘接效果;另一
方面 ,也使得 SF 在酚醛模塑料体系中得到了较好的
分散 ,进一步提高了材料的耐冲击性能 。
Fig.4　SEM of impact fractured sections of composites reinforced with different surface treated SF
(a):composi tes reinforced w ith unt reated SF;(b):composi tes reinforced w ith alkali-thermal t reated SF;
(c):composites reinforced with KH-550 t reated SF
47　第 7期 孙同甲等:剑麻纤维增强酚醛模塑料的性能
3　结论
(1)采用碱热处理及偶联剂 KH-550对剑麻纤维
进行表面改性 ,可以有效提高剑麻纤维增强酚醛模塑
料的力学性能和热性能。(2)采用 SF 取代部分木粉
增强酚醛模塑料 ,力学性能及耐热性能优于木粉填充
体系 , 抗冲强度优于玻纤增强体系 。(3)SF 含量在
20%～ 25%区间内 ,酚醛模塑料不仅具有很好的力学
性能 ,而且热变形温度高于 190 ℃,吸水百分率低于
0.8%,综合性能优异 。
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Properties of Phenolic Molding Compounds Reinforced with Sisal Fiber
SUN Tong-jia , FAN Hong , TAN Jun , LI Bo-geng
(State Key Laboratory of Polymer React ion Engineering , Zhej iang University , Hangzhou 310027 , China)
ABSTRACT:Phenolic molding compounds w ere reinforced w ith sisal fiber (SF).Influences of surface t reatments on
SF , and content of SF on the properties of phenolic molding compounds w ere studied。The reinforcement of SF on
phenolic molding compounds w as also compared w ith glass fiber(GF)and the t raditional f iller such as wood powder.
The results show that the properties of phenolic molding compounds can be improved significantly by incorporation of
SF compared wi th wood powder , and exhibit higher impact strength than GF .Content of SF in phenolic molding
compounds has g reat influence on its mechanical , heat and w ater resistant properties.SEM analy sis reveals that the
interaction between SF and matrix resin is improved obviously after SF is t reated by alkali-thermal and silane coupling
agent and thus enhances the surface adhesion between the SF and matrix.
Keywords:sisal fiber;phenolic resin;phenolic molding compounds;reinforcement
高分子专利
专利名称:具有优异的防污性能和层间粘结性的层积
体以及其制造方法
专利申请号:CN200580034292.X
公开号:CN101035841
申请日:2005.10.04　　　公开日:2007.09.12
申请人:日本大金工业株式会社;道康宁东丽株式会社
本发明涉及具有优异的防污性能和层间粘结性的
层积体以及其制造方法。本发明提供一种具有优异的
滑动性 、透明性 、耐磨性 、防污性和化学稳定性的涂膜
表面的层积体 ,特别是具有硅橡胶基材的层积体。所
述层积体包括基材(II I)、设置在基材(III)上的底层
(II)和直接设置在底层(II)上的顶涂层(I),其中所述
顶涂层(I)由顶涂层用组合物的固化物形成 ,所述顶涂
层用组合物含有(A)固化性含氟树脂 、(B)固化剂和
(C)偶联剂 ,所述偶联剂含有具有官能团的硅烷偶联
剂和/或铝螯合剂;并且所述底层(II)由底层用组合物
形成 ,所述底层用组合物含有(D)聚二有机基硅氧烷 、
(E)聚有机硅氧烷树脂和(F)偶联剂 ,所述偶联剂含有
具有官能团的硅烷偶联剂和/或铝螯合剂。
48 高分子材料科学与工程 2009年