全 文 ：　第 29 卷第 4 期 高分子材料科学与工程 Vol.29 , No.4
　2013 年 4 月 POLYMER MA TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Apr.2013
剑麻纤维素微晶/酚醛树脂复合材料的力学性能和摩擦性能
黄绍军 , 韦　春 , 刘红霞 , 吕　建 , 余传柏
(桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室 ,材料科学与工程学院 ,广西桂林 541004)
摘要:采用 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)对自行制备的剑麻纤维素微晶(SFCM)进行表面改性 , 采用双螺杆挤出机
对 SFCM 与酚醛树脂(PF)进行熔融共混 , 采用模压成型方法制备 SFCM/ PF 复合材料。研究不同 SFCM 含量的 SFCM/
PF复合材料的力学 、摩擦学性能 , 并采用扫描电镜(SEM)观察磨损面的形貌。结果表明 , SFCM 的加入能有效提高复合
材料的力学性能和摩擦性能 ,当 SFCM 含量为 6%时 , 复合材料的冲击强度提高了55.56%, SFCM 含量为 4%时 ,复合材
料的弯曲强度提高了31.37%;SEM 观察发现 , 改性后的 SFCM 为微纤维形态 , 径向尺寸为 10 μm;热重分析表明 , 改性
SFCM 初始分解温度比剑麻纤维提高了 60 ℃。
关键词:剑麻纤维素微晶;酚醛树脂;复合材料;摩擦性能
中图分类号:TQ323.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-7555(2013)04-0097-04
收稿日期:2012-08-30
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51163003 , 21264005);广西自然科学基金资助项目(2010GXNSFA013030 , 2012GXNSFBA053153 ,
2012GXNSFBA053155)
通讯联系人:韦　春 ,主要从事聚合物基复合材料研究 , E-mai l:1005668130@qq.com
　　近年来 ,由于天然植物纤维具有来源广泛 、价格低
廉 、可再生 、可降解等特点 ,因此利用植物纤维作为增
强纤维增强聚合物基复合材料已成为国内外的研究热
点之一[ 1 ,2] 。但是植物纤维中除了纤维素成分外还有
果胶 、木质素 、半纤维素等成分而影响其力学 、热稳定
性及与树脂的界面相容性等[ 3] ,因此从植物纤维中提
取制备具有高强度和高模量的纤维素微晶或纳米晶
须 ,进而作为微米级或纳米级增强材料来制备复合材
料逐渐成为新的研究内容和热点[ 4 , 5] 。
本文在前期研究的基础上 ,通过从剑麻纤维(SF)
中提取剑麻纤维素微晶(SFCM),采用 KH550 对纤维
素微晶进行表面改性 ,将 SFCM 与酚醛树脂及其它填
料熔融共混制备 SFCM/PF 复合材料 ,采用定速式摩
擦试验机研究复合材料的摩擦学性能 、SFCM 的用量
对复合材料的力学性能 、硬度的影响 ,用 SEM 对材料
的磨损面形貌进行分析 ,为剑麻纤维的应用提供参考 ,
目前尚未见到类似的研究报道 。
1　实验部分
1.1　主要原料与仪器设备
剑麻纤维素微晶(SFCM):自制;酚醛树脂(PF):
牌号 2123 ,上海树脂厂 。
TCJ-G L23摆锤式冲击试验机:吉林省泰和试验
机有限公司;AG-201型电子万能试验机:济南天辰试
验机控制有限公司;MH-6数字式显微硬度计:上海恒
一企业有限公司;美国 NICOLETNEXUS 470 型傅立
叶红外光谱仪(FT-IR);TGA Q500:美国 TA 公司;
DMS-XL112型定速式摩擦实验机:武汉市祥龙摩擦材
料有限责任公司;日立 S-4800 型场发射电镜(FES-
EM):日本日立高新技术公司;JSM-5600LV 型扫描电
子显微镜(SEM):日本 JEOL 公司 。
1.2　SFCM的制备及表面改性
将剑麻纤维剪成 3mm ～ 5mm 置于体积比为 2∶1
的甲苯∶乙醇中 120 ℃反应 6h , 然后置于含有 0.1
mol/L NaOH和 50%乙醇的混合溶液中 ,于 45 ℃处理
3h ,再将纤维置于 10%(g/mL)NaOH 和1%(g/mL)
Na2B4O7·10H2O 溶液中 28 ℃处理 15h ,最后将产物置
于醋酸和硝酸混合溶液(体积比为 10∶1)中在 120 ℃
处理 15min ,取出用乙醇及蒸馏水反复洗涤 、过滤 、干
燥 ,即得到剑麻纤维素微晶[ 6] 。
将制备的 SFCM 与 2%的 KH550 溶液 ,在 80 ℃
反应 24h ,取出 ,用去离子水反复洗涤过滤 3次 ,于 60
℃真空干燥。
1.3　SFCM/PF复合材料的制备
将不同用量的 SFCM 与酚醛树脂在微型双螺杆
挤出机中熔融共混 ,熔融挤出温度为135 ℃,再分别与
其它填料初步混合均匀后在开放式塑炼机上辊炼 ,然
后将物料粉碎 ,通过模压成型工艺制备样品 。模压工
艺条件:165 ℃～ 170 ℃, 5MPa 。将制成的样品 ,按
120 ℃2h +140 ℃2h +160 ℃2h +180 ℃2h进行后
固化 ,即得到 SFCM/PF 复合材料。
2　结果与讨论
2.1　SFCM的形貌
Fig .1 为本文自制的 SFCM 在不同倍数下的场发
射扫描电镜图 。从图中可以看出 , SFCM 径向的尺寸
为 10μm ,呈微纤维形态。同时 ,所得的SFCM 表面光
滑 ,结构较紧致 ,没有缺陷 ,产物纯净没有杂质 。
Fig.1　FESEM Photographs of SFCM
Fig.2　TGA Curves of SF, SFCM and KH550-SFCM
2.2　SFCM的表面改性
Fig .2 为 SF 、SFCM 以及 KH550-SFCM 的 TGA
曲线 。由 Fig.2和 Tab.1可知 ,SF 的初始分解温度为
275 ℃,终止分解温度为 378 ℃,分解区间约 103 ℃,
最后固体残留率为11.9%。而 SFCM 的初始分解温
度为 328 ℃,比 SF 的初始分解温度提高了 53 ℃,固
体残留率为4.7%。SFCM 经过 KH550 处理后 ,部分
KH550接枝到 SFCM 后 ,初始分解温度为 335 ℃,固
体残留率为19.8%。由此表明 , SFCM 的热性能明显
高于 SF 的热性能 ,这主要是 SFCM 中除去了影响其
热性能的木质素和果胶等成分 , 并且 SFCM 经过
KH550改性后 ,其热性能又进一步得到改善 ,同时其
固体残留率也有所提高 ,说明 KH550的存在不仅能提
高SFCM 的耐热性能 ,还能起到一定的阻燃效果。
Tab.1 　Thermal Degradation Data of SF , SFCM and
KH550-SFCM
S amples
Td
(℃)
Decomposition
interval(℃)
Residual mass
at 700 ℃(%)
SF 275 103 11.9
SFCM 328 100 4.7
KH550-SFCM 335 95 19.8
2.3　SFCM含量对 SFCM/PF 复合材料力学性能的
影响
Tab.2列出了不同 SFCM 含量的酚醛树脂复合材
料的力学性能和硬度。从 Tab.2 中可以看出 ,SFCM
的加入明显地提高了酚醛树脂复合材料的力学性能。
当SFCM 含量为 6%时 , 复合材料的冲击强度达到
2.94 kJ/m2 ,比纯酚醛树脂提高了55.56%。当 SFCM
含量为 4%时复合材料的弯曲强度和模量分别比纯酚
醛树脂提高了31.37%和18.85%。分析认为 ,纤维素
微晶与树脂间的界面粘接性是影响材料力学性能的主
要因素 ,SFCM 经过表面改性后有效地提高了与基体
树脂的界面结合 ,强韧化效果明显 ,同时纤维素微晶本
身的高强度和高模量具有承受载荷 、吸收冲击能量的
作用。所以 ,SFCM 的含量为 4%和 6%时 ,其在酚醛
树脂中分散性好 ,界面结合能力强 ,复合材料表现出优
异的力学性能 ,而当 SFCM 含量增加到 10%时 ,SFCM
在酚醛树脂中分散性差 ,界面结合作用变差 ,复合材料
中缺陷增多 ,强度下降。然而 ,随着 SFCM 含量的增
加 ,复合材料的维氏硬度有减小的趋势 , 这是由于
SFCM 密度小 , 体积大所致 。其中当 SFCM 含量为
10%时 ,硬度比纯酚醛树脂减小了20.08%。
2.4　SFCM含量对 SFCM/PF 复合材料摩擦磨损性
能的影响
Fig .3 、Fig.4 分别为不同 SFCM 含量的 SFCM/
PF复合材料的摩擦系数和体积磨损率 。从 Fig.3可
以看出 ,未加 SFCM 和 SFCM 含量为 4%的复合材料
的摩擦系数波动比较大 ,当SFCM 含量为 6%时 ,复合
材料的摩擦系数始终维持在 0.36 ～ 0.44之间 ,在恢复
阶段 ,其摩擦系数稳定维持性能较好。SFCM 含量为
6%的复合材料磨损率为 0.826×10-7cm3/N·m ,比未
加SFCM 的体积磨损率降低了 15%。分析其原因 ,一
方面 ,SFCM 在高温阶段会部分分解炭化 ,起到类似于
碳纤维稳定摩擦性能的作用;另一方面 ,SFCM 经过表
面改性后 ,与基体树脂的粘接性增加 ,在复合材料中能
够起到骨架增强作用 ,可以将树脂和填料牢固的粘接
在一起 , 在摩擦过程中 , 填料不易脱落。所以 SFCM
的加入能有效改善复合材料的摩擦磨损性能 。
98 高分子材料科学与工程 2013年　
Tab.2　Mechanical Properties and Hardness of SFCM/PF Composites
w(SFCM)(%) Impact st rength(kJ/m2) Bending strength(MPa) Bending modulus(GPa) Vickers hardness(kgf/mm2)
0 1.89 53.06 8.84 43.92
4 2.49 72.36 10.51 42.09
6 2.94 70.65 9.81 42.21
8 2.46 65.44 9.72 40.19
10 2.26 69.66 9.93 35.10
　　Fig.3　Effects of SFCMContents on Friction Coefficient Fig.4　Effects of SFCM Contents onWear Ratio
Fig.5　SEM Photographs of Worn Surface of the Composites with Different SFCM Contents
(a):0%SFCM;(b):6%SFCM;(c):10%SFCM
2.5　SFCM/PF复合材料的磨损面分析
Fig .5为不同 SFCM 含量复合材料的磨损形貌的
SEM 照片 。未加 SFCM 的酚醛树脂复合材料磨损面
有明显的犁沟和裂纹。而Fig.5(b)、Fig.5(c)相对于
Fig.5(a)的磨损面比较平整 ,无明显的犁沟。分析原
因 ,加入 SFCM 后 , SFCM 的增强作用可以使树脂以
及填料牢固地粘接在一起 ,在摩擦的过程中 ,树脂与填
料不易从复合材料中脱落 ,所以磨损面比较平整 ,磨损
率比较低。如Fig .5(b)所示 ,当 SFCM 含量为 6%时
摩擦面最为平整 ,但过多的 SFCM 加入 , 会使 SFCM
难以在体系中分散 ,复合材料中出现缺陷 ,在摩擦过程
中 ,填料中的颗粒易从缺陷中脱落 ,造成磨粒磨损 ,形
成划痕 ,如Fig.5(c)所示。
3　结论
SFCM 呈现微纤维形态特征 ,并且其经过 KH550
改性后 ,热分解温度比剑麻纤维提高了 60 ℃。同时以
SFCM 作为增强纤维 ,采用熔融共混法制备了 SFCM/
PF 复合材料 ,当 SFCM 加入量为 6%时 ,复合材料的
力学性能较好 ,摩擦系数稳定在 0.36 ～ 0.44之间 ,比
未加 SFCM 的体积磨损率降低了 15%,摩擦磨损性能
达到 GB5763-2008要求 。
参考文献:
[ 1] 　郭伟娜.植物纤维增强可降解复合材料的研究现状[ J] .国外丝
绸 , 2009 , 24(l):25-29.
Guo W N.Research of plant f iber reinforced biodegradable compos-
it es[ J] .Foreign Silk , 2009 , 24(l):25-29.
[ 2] 　Zimmermann T , Poehler E ,Geiger T.Cellulose f ibri ls for polymer re-
inforcement[ J] .Abstracts of Papers of the American Chemical S oci-
ety , 2005 , 6(9):754-761.
[ 3] 　Sun X F , Sun R C , Su Y Q , et al.Comparat ive study of crude and
purified cellulose f rom wheat st raw[ J] .Journal of Agricultural and
Food Chemistry , 2004 , 52(4):839-47.
[ 4] 　Han D L , Yan L F , Chen W F , et al .Cellulose/ graphite oxide
composite f ilms w ith improved mechanical properties over a wide
range of temperature[ J] .Carbohydrate Polym ers , 2011 , 83
(2):966-72.
[ 5] 　Uddin A J ,Araki J , Gotoh Y.T ow ard ”S t rong” green
99　第 4期 黄绍军等:剑麻纤维素微晶/酚醛树脂复合材料的力学性能和摩擦性能
nanocomposites:Polyvinyl alcohol reinforced with ext remely oriented
cellulose w hiskers[ J] .Biomacromolecules , 2011 , 12(3):617-624.
[ 6] 　Morá n J I , Alvarez V A , Cyras V P , et al.Ext raction of cellulose and
p reparation of nanocellulose f rom sisal fibers[ J] .Cellulose , 2007 , 15
(1):149-59.
Mechanical and Friction Properties of SFCM/PF Composites
Shaojun Huang , Chun Wei , Hongxia Liu , Jian Lv , Chuanbai Yu
(Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous Metals , Ministry of Education , College
of Materials Science and Engineering , Guil in Universi ty of Technology , Guilin 541004 , China)
ABSTRACT:Cellulose microcrystal ex tracted f rom sisal fiber(SFCM)was modified by silane coupling agent KH550.
The SFCM/phenolic formaldehyde (PF)composites with different contents of SFCM were prepared by blending
technology and molding method.Effects of the SFCM contents on the mechanical properties , hardness , and frict ion
properties of the composites w ere studied.The impact st reng th and the flexural st reng th of the composi tes are in-
creased by 55.56% and 31.37% respectively , and the f rict ion properties of the composites are improved obviously by
adding SFCM .SEM results show that the mo rphology of modif ied SFCM is in micro-fiber , and the initial decomposi-
tion temperature of modified SFCM increases by 60 ℃ over that of sisal fiber.
Keywords:sisal fiber cellulose microcrystal;phenolic formaldehyde;composites;f riction properties
(上接第 96页。 continued f rom p.96)
Electro-Stimulate Response Behavior of Xanthan Gum /Polyvinyl
Alcohol Interpenetrating Networks Hydrogel
Jia e Liao , Genqi Liu , Yu Xiang , Cheng Zhang
(Department of Applied Chemistry , School of Science , Northwestern
Polytechnical Universi ty , X i an 71029 , China)
ABSTRACT:Xanthan gum (XG)/polyviny l alcohol(PVA)interpenetrating polymer netw orks hydrogel was prepared
by the crosslinking reaction of xanthan gum and polyvinyl alcohol w ith glutaraldehyde.Swelling performance , me-
chanical properties and electro-stimulate response behavior of the XG/PVA interpenetrating netw orks hydrogel w ere
studied.The results show that the interpenetrating polymer netw orks hydrogel equilibrium sw elling ratio decreases as
the ionic strength of NaCl solut ions increases , increases as pH value increases , and remains unchanged above pH value
of 7.The mechanical properties of XG/PVA interpenetrat ing netw orks hydrogel swollen in 0.01mol/L NaCl aqueous
solut ion were as follow s:elasticity modulus of 0.9844 MPa , tensile st reng th of 1.5691MPa and elongation at break
of 1.60.The hydrogel bends under a non-contact DC electric field in 0.01mol/L NaCl aqueous solutions.The bend-
ing speed and deflection of the hydrogel increase w ith the increase of the applied voltage.NaCl solution ionic st reng th
affectes bending behavior of the gel.When the NaCl solution ionic strength is smaller than 0.05 , the gel bends to-
ward to negative elect rode.When the ionic strength is greater than 0.05 , the gel bends tow ard the posit ive electrode.
Its bending response behavior has a good reversibility under the cycle electric f ield.
Keywords:xanthan gum;hydrogel;electro-stimulate response;bending
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