全 文 ：复 合 材 料 学报 第 23卷 　 第 1期 　　2 月 　 2006年
Acta Materiae Compositae Sinica Vol. 23 No. 1 Februar y 2006
文章编号:1000-3851(2006)01-0129-06
收稿日期:2005- 05- 23;收修改稿日期:2005- 07 - 25
通讯作者:程光旭 , 教授 , 研究方向:纤维增强复合材料　E-mai l:gx cheng@mai l. xjtu. edu . cn
剑麻纤维的改性及其在摩擦材料中的应用
徐　欣 , 程光旭* , 刘飞清
(西安交通大学能源与动力工程学院 , 西安 710049)
摘　要:　研究了不同改性处理工艺对剑麻纤维物化性能的影响 , 确定了剑麻纤维最佳改性方案 , 将剑麻纤维应
用于制备摩擦制动复合材料。采用 D-MS 定速摩擦实验机检测摩阻性能 , 比较研究了经过改性处理和未经处理的
剑麻纤维增强摩擦材料的特性 , 并与无机矿物纤维 /钢纤维混杂纤维增强摩擦材料进行了对比。研究结果表明 ,
经过改性处理的剑麻纤维增强的摩擦材料摩擦系数适中 , 随温度波动小 , 是一种理想的石棉替代纤维 。
关键词:　改性;剑麻;摩擦材料;摩擦系数
中图分类号:　U270. 4　　文献标识码:A
Modifying of sisal and friction performance of the sisal reinforced resin composite
XU Xin , CHENG Guangxu* , LIU Feiqing
(School of Energ y and Pow er Engineering , Xian Jiao tong Univ ersity , Xian 710049 , China)
Abstract:　The modify ing trea tments o f sisal fo r improving physical and chemical per formance w ere investig ated ,
and the optimum modifying pr ocedure w as achieved. The modified sisals w ere used as reinfor ced fibe r in fric tion
materials. The wea r pr opertie s we re investiga ted by means of D-MS constant speed tester and the results w ere com-
pared with the raw sisal enhanced and mine ral / steel fiber reinfo rced friction ma te rials. The results show tha t the
friction factor is g ood fo r fitting w ith low fluctua tions for diffe rent tempera tur e values. The sisal is an ideal substi-
tute fo r asbesto s.
Keywords:　modifying;sisal;friction materials;friction factor
　　目前汽车用摩擦制动材料研究领域 , 针对石棉
纤维代用纤维的研究工作主要为非金属矿物纤维 、
金属纤维 、人工合成有机纤维和碳纤维等 。虽然这
些纤维各自具有一些优异的性能 , 但是与传统的石
棉纤维相比 , 应用于摩阻复合材料仍有以下缺
点[ 1 , 2] :(1)增强纤维与基体的相容性较差;(2)价
格较石棉类摩阻材料高很多;(3)摩阻材料性能不
稳定 , 综合摩阻制动性能较之石棉摩阻材料还有一
定差距。
剑麻纤维(Sisal f iber)取自于剑麻作物(龙舌兰
属)的叶片 , 化学组成以纤维素(50%～ 65%, 质量
分数 , 下同)、 木质素(8% ～ 10%)、 半纤维素
(12%～ 20%)三大组份及少量提取物为主[ 3] 。在植
物纤维中 , 剑麻纤维具有纤维长 、质地坚韧 、富有
弹性 、拉伸强度大 、耐磨擦 、耐酸碱 、耐海水腐蚀
以及耐低温等多种优良性能 , 且属于可再生资源 ,
可自然降解 , 不会对环境构成污染[ 4 , 5] , 价格也比
较低廉。剑麻纤维增强树脂基复合材料 , 生产工艺
简单 , 拉伸和弯曲性能优良 , 冲击强度高。但由于
剑麻纤维自身的特性[ 6] , 限制了其在摩擦制动复合
材料领域的应用。本文作者根据摩擦制动材料的性
能要求 , 研究了剑麻纤维的改性处理工艺 , 将其应
用于增强树脂基摩擦材料 , 并对制备出的摩擦材料
的摩擦性能进行了实验研究 , 目前在国内外公开发
表的文献中尚未见到相关报道。
1　实　验
1. 1　剑麻纤维改性
剑麻纤维改性处理工艺如表 1所示。
剑麻纤维表面形貌通过 SEM 扫描电镜观察;
剑麻纤维的热分解(TGA)实验在 TGA51热分析仪
上进行 ,实验终止温度500℃,升温速率 10℃/min。
DOI牶牨牥牣牨牫牳牥牨牤j牣cnki牣fhclxb牣牪牥牥牰牣牥牨牣牥牪牨
表 1　经不同处理工艺的剑麻纤维 TGA试样
Table 1　Sisal samples with different treatment methods
S amp le number S-1 S-2 S-3
M odif icat ion craft Raw f iber
NaO H(10%, 80℃, 2 h)+ 150℃
heat t reatment 4 h
NaOH(20%, 80℃, 2 h)+ 170℃
h eat t reatment 4 h+
Na2B4O 7 10H 2O-HCHO-NaH SO 3(10%)
图 1　剑麻纤维表面形貌 SEM 照片
Fig. 1　SEM morph ologies of the surface contou r of sisal fiber
将经不同改性工艺处理的剑麻纤维和酚醛树脂
按照质量比 4∶1 的比例混合均匀 , 在 190℃、
20 MPa条件下压制成型 , 然后在 210 ～ 230℃热处
理 4 ～ 6 h 得到纤维增强复合材料 , 冲击强度采用
XJ-40A 型塑料冲击实验机检测 , 试样为 U 型缺口
试样 , 尺寸为 5 mm×10 mm×50 mm;材料内抗剪
切强度执行 QC /T 473 - 1999 , 试样尺寸为 25 mm
×25 mm×10 mm 。
1. 2　定速摩擦实验
摩阻材料的增强纤维分别为经不同工艺处理的
剑麻纤维 、无机矿物纤维和无机矿物纤维 /钢纤维
混杂纤维;粘结剂采用 FB97酚醛树脂;摩擦性能
调节剂由金属粉末 、非金属氧化物和固体润滑材料
组成;填料为多种无机盐组成。
试样制备工艺:纤维首先进行表面偶联处理 ,
然后和其他各组份混合均匀 , 在 190℃、 20 MPa 条
件下压制成型 , 然后在 210 ～ 230℃热处理 4 ～ 6 h
得到纤维增强摩阻材料 , 试样尺寸为 25 mm ×
25 mm×6 mm 。摩擦磨损实验在 D-MS 定速摩擦
实验机上进行;摩擦副材料为 HT250 , 硬度 180 ～
220 HB;实验规范按照GB 5763 - 1999执行。
2　剑麻纤维改性实验结果及分析
2. 1　剑麻纤维改性结果
剑麻原纤维和经改性处理的剑麻纤维表面形貌
如图 1 所示。可以看出 , 剑麻原纤维表面光滑完
整 , 经过改性处理以后 , 纤维表面沿轴向方向出现
密布的沟槽 。
采用不同工艺处理的剑麻纤维制备酚醛树脂基
复合材料 , 检测其冲击强度和内剪切强度 , 结果如
表 2 所示。可以看出 , 与试样 S-C-1 相比 , 试样
S-C-2和 S-C-3 的冲击强度和内剪切强度都有显著
的提高;而试样 S-C-2和 S-C-3相比 , 其冲击强度
和内剪切强度无明显差别。
表 2　剑麻纤维增强复合材料的机械性能
Table 2　Mechanical properties of sisal reinforced
resin matrix composites
Sam ple num ber S-C-1 S-C-2 S-C-3
Fiber S-1 S-2 S-3
Impact st reng th /(dJ cm - 2) 9. 52 13. 86 14. 02
Inner sheer st rength /(N mm - 2) 31. 75 36. 69 36. 25
剑麻纤维的 TGA 检测结果如图 2所示 。可以
看出 ,剑麻纤维在物质剩余质量分数为 90%时开始
130 复合 材料 学 报
热分解失重。未经任何处理的剑麻纤维在 260℃发
生第 1次热分解失重 , 在 340℃发生第 2次热分解
失重 , 此时物质剩余质量分数为 40%;试样 S-C-2
在 275℃发生第 1次热分解失重 , 在 350℃发生第 2
次热分解失重 , 此时物质剩余质量分数为 40%;试
样S-C-3在 300℃发生第 1次热分解失重 , 在 350℃
发生第 2次热分解失重 , 此时物质剩余质量分数为
60%。
图 2　经不同化学处理的剑麻纤维 TGA 曲线
Fig. 2　TGA curves of sisal f iber t reated wi th different chemical reagents
图 3　剑麻结构简图
Fig. 3　Sch emat ic draw ing of (a) cross-section of a piece of sisal leaf and (b) inner con st ruct ion of bun ched sisal f ibers
2. 2　改性对剑麻纤维物理性能的影响
剑麻纤维(Sisal f iber)取自于剑麻作物的叶片 ,
每一叶片含有 1000 多个纤维束 , 而每个纤维束由
100 ～ 200个纤维细胞组成 , 纤维束的尺寸为 100 ～
300μm 。图 3为剑麻纤维结构示意图[ 7] 。
剑麻纤维的化学组成以纤维素(50%～ 65%)、
木质素(8%～ 10%)、半纤维素(12%～ 20%)三大
组份及少量提取物为主[ 3] , 这三种组份的热性能决
定了剑麻纤维热分解过程特性 。纤维素是 D-吡喃
葡萄糖酐通过 β-1 , 4苷键连接而成的线形高分子 ,
重复单元中每一基环有 3个羟基 , 这些羟基在分子
内或分子间形成氢键。其分子结构式为[ 8] :
剑麻纤维的强度主要由纤维素原纤提供 , 纤维素大
分子的原纤沿纤维轴形成螺旋 , 原纤与轴向的夹角
越小则纤维的强度和硬度越高;同时 , 纤维素的结
晶度和聚合度也是决定剑麻纤维力学性能的重要因
素[ 9 , 10] 。半纤维素是粘结细胞壁的物质 , 为一类杂
缩多糖类化合物 , 相对分子质量不大 , 聚合度通常
为 200左右 , 分子基本上呈线性 , 但是带有各种短
侧链[ 8 , 11] 。半纤维素的化学性质与纤维素类似 , 但
是由于其无规结构和带有侧基 , 因而更为活泼 。木
131 徐　欣 , 等:剑麻纤维的改性及其在摩擦材料中的应用
质素大分子是以苯丙烷为结构单元组成 , 碳含量为
60%～ 66%, 氢含量为 5%～ 6. 5%[ 8 , 12] 。
剑麻原纤维经过 NaOH 溶液处理 , 不但可以
溶解部分果胶及植物脂类 , 减少剑麻纤维中杂质的
含量 , 还可以将半纤维素萃取出来[ 13] , 使得剑麻纤
维中纤维素的比重增加 , 提高纤维整体的结晶度 。
经过 NaOH 溶液处理后的剑麻纤维经过热处理 ,
可进一步清除细胞壁及纤维原纤之间的杂质 , 并可
以部分有序化半纤维素大分子结构 , 进一步提高纤
维整体的结晶度 。经过改性处理的剑麻纤维表面出
现的沟槽(图 1(b))即为非纤维素组份被去除之后
的表征。进一步观察改性处理过的纤维表面(图
4), 构成剑麻纤维的纤维束清晰可见。剑麻纤维经
过改性处理后 , 一方面提高了纤维素的含量及其结
晶度 , 使得纤维本体的力学性能有了显著改善;另
一方面纤维的表面积大大增加 , 即增大了树脂和纤
维表面的粘着面积 , 提高了树脂 /纤维的界面强度 ,
使得剑麻纤维 /酚醛树脂复合材料的力学性能明显
增强 。
图 4　剑麻纤维表面微观形貌
Fig. 4　Surface contour of si sal fiber
2. 3　改性对剑麻纤维热分解性能的影响
由图 2可以看出 , 剑麻纤维的热分解失重主要
包括两个阶段。
在第 1阶段 , 剑麻纤维中所含的杂质如果胶 、
蜡质等会分解挥发;半纤维素和纤维素大分子分子
键断裂形成自由基 , 逸出水分 , 生成羰基 、羧基和
氢过氧化物等 , 释放出 CO 和 CO 2 , 伴随生成少量
的焦炭残留物[ 8 , 14 , 15] 。由于半纤维素大分子结构的
无规性和带有侧基 , 因此在该阶段半纤维素的热分
解占主导因素 , 而纤维素大分子的结晶度比较
高[ 1 0] , 因此在这一阶段热分解程度不是很高。
第 2个阶段中纤维素分子主要热解反应过程首
先为分子间和分子内的葡萄糖基的转移反应 , 然后
裂解成分子碎片 , 紧接着进行分子结构脱水 、脱羰
基等反应 , 生成气体 、可燃性挥发物和稳定的焦
炭[ 8 , 14 , 15] 。木质素在 300 ～ 350℃发生剧烈的热解反
应 , 到 400 ～ 450℃左右终止 , 分解产物主要为焦
炭[ 1 2 , 14] 。由于该阶段的热解反应表现为分子链的
断裂和大分子的裂解 , 因此处理工艺 1对剑麻纤维
的耐热分解效果不显著 。
剑麻纤维经过硼砂(N a2 B4O 7 10H2O)-甲醛-
NaHSO3处理后耐热分解性能有了显著提高 , 因为
硼砂受热时分解而吸收大量的热 , 同时在纤维表面
形成玻璃态物质 , 隔开了空气与纤维的接触 , 延缓
了纤维素大分子热氧化分解的过程 。而经过硼砂-
甲醛-NaHSO 3处理的剑麻纤维 , 氧指数大大提高 ,
其中的原因有以下两个方面[ 16] :
(1)甲醛可以作为交联剂在纤维素之间发生交
联反应
2Rcell —OH +HCHO H + Rcell—O —CH 2 —O—Rcell
+H 2O
其中 Rcell —OH 代表纤维素分子。这样硼砂被有效
地附着在纤维素内部 , 使其附着量增加 。
(2)纤维素 、甲醛 、硼砂之间可以发生反应
Rcell —OH +B(OH)3 +HCHO H+
Rcell —O —CH2 —O —B(OH)2 +H 2O
Rcell —O —CH2 —O —B(OH)2 +Rcell —OH +HCHO
H+
Rcell —O —CH2 —O —B(OH)—O—CH 2 —O —
Rcell +H2O
这样 , 形成的网络交联物使硼元素有效地固着在纤
维素上 , 从而提高耐热分解性能。
3　定速摩擦实验结果及分析
3. 1　定速摩擦实验结果
不同纤维增强摩擦材料定速摩擦实验结果如
图 5所示。可以看出 , 采用剑麻原纤维增强的摩阻
材料的摩擦系数从 250℃开始迅速减小 , 在整个摩
擦升温-降温过程中摩擦系数波动剧烈;剑麻纤维
经过改性工艺处理后 , 其增强的摩阻材料在 250 ～
350℃的摩擦系数有了显著提高 , 波动幅度平稳。
132 复合 材料 学 报
图 5　不同纤维增强摩擦材料摩擦系数 -温度关系曲线
Fig. 5　Friction factor-t emperatu re cu rves of
f rict ion materials reinforced by various fib res
图 6　不同纤维增强摩擦材料磨损率-温度关系曲线
Fig. 6　Wear rate-t em perature cu rves of f rict ion
material s reinforced by variou s f ib res
图 7　剑麻纤维增强复合材料磨损表面形貌 SEM 照片
Fig. 7　SEM morph ologies of the w orn su rface of si sal f iber enhanced composites
图 6为不同纤维增强摩擦材料磨损率-温度实
验结果 。可以看出 , 石棉纤维增强摩阻材料从
150℃开始出现了明显的热膨胀现象 , 这对于摩擦
制动材料是较为严重的缺陷 。剑麻纤维经过改性处
理制备的摩阻材料 , 在 250 ～ 350℃的磨损率有了明
显的降低;与无机矿物纤维 /钢纤维混杂纤维增强
摩阻材料相比 , 其磨损率偏高 。
3. 2　摩擦实验结果分析
图 5的数据表明 , 采用剑麻原纤维增强的摩擦
材料在摩擦温度低于 250℃具有良好的摩阻性能 ,
当摩擦温度继续升高 , 材料的摩擦系数急剧减小。
采用工艺 2处理剑麻纤维制备的摩擦材料的摩阻性
能 , 特别是中 、高温摩阻性能有了明显提高 。采用
剑麻原纤维增强的摩擦材料在定速摩擦实验结束
后 , 摩擦表面附着有大量肉眼可以辨识的碳质粉
末 , 在摩擦副的相对滑动摩擦过程中起到了润滑减
磨的作用 , 这是导致摩擦材料从 250℃开始摩擦系
数急剧降低的主要原因 。这些碳质粉末即为剑麻纤
维热分解后的主要固态残留物质。图 7(a)为剑麻
原纤维增强的摩擦材料定速摩擦实验磨损表面型
貌 , 可以看出 , 剑麻纤维本体已经大部分分解 。此
外 , 由于剑麻纤维的热分解 , 导致摩擦面表层摩擦
材料本体失去纤维增强 , 使得整体强度下降 , 体系
中调节摩擦性能的填料更容易从基体中剥离脱落 ,
致使材料磨损增大 。这也是材料摩擦制动性能恶化
的原因之一 。
采用工艺 2处理剑麻纤维制备的摩擦材料在定
速摩擦实验结束后 , 摩擦表面附着的碳质粉末明显
减少 。从图 7(b)可以看出 , 高温摩擦实验后 , 剑麻
133 徐　欣 , 等:剑麻纤维的改性及其在摩擦材料中的应用
纤维本体仍有大部分存留下来 , 一方面可以继续发
挥其摩阻性能 , 另一方面也大大减少了热分解残留
碳的数量 , 保证了材料整体的摩擦摩阻性能 。此
外 , 存留的剑麻纤维可以保证材料摩擦表层具有一
定的强度 , 体系中调节摩擦性能的填料不易从基体
中剥离脱落 , 从而既减少了材料的磨损 , 同时又保
证材料整体在高温摩擦条件下仍具有优良的摩阻性
能。通过与矿物纤维增强摩擦材料和矿物纤维 /钢
纤维增强摩擦材料对比 , 可以看出 , 剑麻纤维增强
摩擦材料在不同摩擦温度条件下摩擦系数适中 , 摩
擦系数随温度变化波动平稳(图 8)。由于剑麻纤维
在高温摩擦过程中不可避免地发生热分解 , 因此与
矿物纤维 /钢纤维增强摩擦材料相比 , 其磨损率仍
然偏高(图 6)。
图 8　不同纤维增强摩擦材料摩擦系数标准偏差
Fig. 8　S tandard deviation of f rict ion factor of f ri ct ion
materials enh anced by various f ibers
4　结　论
(1)剑麻纤维经过改性处理后 , 一方面提高了
纤维素的含量及其结晶度 , 使得纤维本体的力学性
能有了显著改善;另一方面纤维的表面积大大增
加 , 即增大了树脂和纤维表面的粘着面积 , 提高了
树脂 /纤维的界面强度 , 从而强化了复合材料体系
的力学性能。
(2)剑麻原纤维经过 NaOH 溶液+热处理 +
硼砂-甲醛-N aHSO 3溶液浸润处理后 , 可显著提高
剑麻原纤维的耐热分解温度 , 解决了剑麻纤维
250℃以上摩擦性能急剧降低的关键技术问题 。
(3)定速摩擦实验表明 , 采用 NaOH 溶液+热
处理+硼砂-甲醛-NaHSO 3溶液浸润处理的剑麻纤
维增强摩擦材料具有优良的摩擦摩阻性能 , 有望成
为新一代摩擦制动纤维。
参考文献:
[ 1] 　徐　欣 , 程光旭 , 刘飞清. 树脂基纤维增强摩阻材料研究进展
[ J] . 材料科学与工程学报 , 2005 , 23(3):457 - 461.
Xu X , C heng G X , Liu F Q. Research p rog ress of f riction
properties for fibre reinforced resin mat rix composi te materials
[ J] . Journal o f Materia ls S cience &Eng ineering , 2005 , 23
(3):457 - 461.
[ 2] 　宋　华 , 张慧萍 , 晏　雄. 纤维增强摩擦复合材料 [ J] . 玻璃
钢 /复合材料 , 2003(1):41- 44.
Song H , Zh ang H P , Yan X. Fib er reinforced f riction compos-
it es [ J] . Fiber Rein forced P lastics /Composi te , 2003(1):41- 44.
[ 3] 　Bisanda E T N , Ansel l M P. Propert ies of sisal-CNSL composites
[ J] . Journal o f Mater ials S cience , 1992, 27(8):1690 - 1700.
[ 4] 　Murh erjee P S , S atyanarayana K G. S t ru cture and p ropert ies
of some vegetable f ibres. Ⅰ:Sisal fib re[ J] . Journa lo f Mate-
r ial s S cience , 1984 , 19(12):3925- 3934.
[ 5] 　C hand N , Tiwary R K , Roh atgi P K. Bibliography resou rce
st ructu re propert ies of natural cellulosic fibres:An annotated
bibliography [ J] . Journa l o f Material s Science , 1988 , 23
(2):381 - 397.
[ 6] 　Joseph PV , Rab ello M S , Mattos L H C , et a l . En vi ronmen-
t al ef fects on the degradation behaviou r of sisal fib re reinforced
polypropylene com posites [ J] . Com posites S cience and Tech-
nolog y , 2002 , 6(7):1357 - 1372.
[ 7] 　Lu X , Zh ang M Q , Self-reinforced melt processable compos-
it es of sis al [ J] . Com posites S cience and Technolog y , 2003 ,
63(2):177 - 186.
[ 8] 　甘景镐 , 甘纯玑 , 胡炳环. 天然高分子化学[ M ] . 北京:高等
教育出版社 , 1993. 230.
[ 9] 　卢　珣 , 章明秋 , 容敏智 , 等. 剑麻纤维增强聚合物基复合材
料[ J] . 复合材料学报 , 2002 , 19(5):1 - 5.
Lu X , Zhang M Q , Rong M Z , et al . Si sal reinforced polymer
composi tes [ J] . Acta Mater iae Composi tae S in ica , 2002 , 19
(5):1 - 5.
[ 10] Yan Li , Mai Y W , Ye L , Sisal f iber an d it s com posites:A
review of recent developm ents [ J] . Com posites S cience and
Tech no logy , 2000 , 60(11):2037- 2055.
[ 11] 刘仁庆. 纤维素化学基础 [ M] . 北京:科学出版社 , 1985.
124 - 128.
[ 12] H on D N S. Wood and Celluosic Ch emis t ry [ M] . New Yo rk:
Makcel Deekk er Inc , 1991. 665 - 699
[ 13] Chand N , Satyanarayana K G , Rohatgi P K. Mechanical char-
acteris tics of su nhemp fibres [ J] . In dian Jou rnal o f Text il e
Research , 1986 , 11(1):86- 98.
[ 14] 李　坚. 木材科学 [ M] . 哈尔滨:东北林业大学出版社 ,
1994. 76 - 105.
[ 15] Tian C M , Shi Z H , Zhan g H Y , et a l . Th ermal deg radation
of cot ton cellulos e [ J] . J ournal o f Thermal A nalysis an d
Ca lorimetr y , 1999 , 55(1):93 - 98.
[ 16] 高　洁 , 汤烈贵. 纤维素科学 [ M] . 北京:科学出版社 , 1999.
158- 162.
134 复合 材料 学 报