全 文 ：　第 26 卷第 2 期 高分子材料科学与工程 Vol.26 , No.2
　2010 年 2 月 POLYMER MA TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Feb.2010
剑麻纤维处理方法对 SF PF共混
复合材料动态力学性能的影响
杨香莲 , 韦　春 , 吕　建 , 龚永洋 , 熊雪梅
(桂林工学院有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室 ,材料与化学工程系 ,广西桂林 541004)
摘要:分别采用碱 、硅烷偶联剂(A-1120)及阻燃剂(硼砂-HCHO-NaHSO 3)对剑麻纤维进行表面处理 ,通过模压成型工艺
制备了剑麻纤维 酚醛树脂(SF PF)共混复合材料。采用动态力学性能测试(DMA)研究了 SF 表面处理方法对 SF PF 共
混复合材料动态力学性能 、蠕变及应力松弛性能的影响 ,采用扫描电镜(SEM)观察了 SF PF共混复合材料冲击断面的形
态。结果表明 , SF经偶联剂处理后 , SF PF 共混复合材料的储能模量达到 6310 MPa , 玻璃化转变温度(T g)达到 216 ℃,
其储能模量和 T g 分别比未处理复合材料提高 2 倍和 15 ℃;SF 经阻燃剂处理后 , SF PF 共混复合材料的蠕变和应力松
弛性能得到提高 , SEM 观察表明 , SF表面处理对提高材料的界面粘接性具有一定的作用。
关键词:复合材料;动态力学性能;蠕变;应力松弛
中图分类号:O631.2 +1　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-7555(2010)02-0095-04
收稿日期:2009-01-08
基金项目:国家 973计划前期研究专项(2008CB617513);国家自然科学基金资助计划(50763001);广西自然科学基金(桂科自 0728223);广
西应用基础研究专项(桂科基 0731002 、桂科基 0836016);广西研究生教育创新人才基地项目资助
通讯联系人:韦　春 ,主要从事聚合物基复合材料研究 , 　E-mail:glw eichun@glit e.edu.cn
　　天然植物纤维增强热固性塑料是一种新型的 、可
持续发展的 、绿色环保型复合材料 ,具有广阔的应用前
景。剑麻纤维(SF)作为高性能天然纤维中的一种 ,与
许多无机及合成纤维相比具有价廉 、易得 、密度低 、纤
维长 、较高的拉伸强度和模量 、耐摩擦 、耐海水腐蚀等
优良性能 ,且具有生物降解性及可再生性等优点[ 1 ～ 3] 。
但是亲水性植物纤维与疏水聚合物基体之间相容性很
差;同时较强的纤维分子内氢键使得其在和聚合物基
体共混时易聚集成团 ,造成分散性不佳[ 4] 。这使得应
力不能在界面有效传递 ,导致复合材料性能下降[ 5] 。
本文分别采用碱 、硅烷偶联剂(A-1120)及阻燃剂
(硼砂-HCHO-NaHSO 3)对剑麻纤维(SF)进行表面处
理 ,研究了 SF 表面处理方法对 SF PF 共混复合材料
动态力学性能的影响 ,这为拓宽剑麻纤维的应用范围
打下基础 ,目前尚未见到类似的研究报道。
1　实验部分
1.1　主要原料
剑麻纤维(SF):束状白色长纤维 ,广西剑麻集团
公司提供 ,使用前剪成 3 cm ～ 5 cm ,80 ℃烘干;酚醛树
脂(PF)基体:上海树脂厂;六亚甲基四胺:上海试剂一
厂;硅烷偶联剂 KH-550:南京经纬化工有限公司;硼
砂:天津市北方化学试剂厂;亚硫酸氢钠:广东达濠精
细化学品公司。
1.2　SF表面处理方法
1.2.1　碱处理:将 SF 丝束浸泡于 2%的 NaOH溶液
中 ,室温处理 24 h ,水洗至中性后烘干备用。
1.2.2　偶联剂处理:将碱处理过的 SF 置于 2%A-
1120(NH2(CH2)2NH(CH2)3Si(OCH3)3)的乙醇溶液
中浸泡 4 h ～ 5 h ,80 ℃左右烘干。
1.2.3　阻燃剂处理:将碱处理过的 SF 依次在 2%
KH-550 乙醇溶液和阻燃剂溶液(10%硼砂-HCHO-
NaHSO 3)中各浸泡 4 h ～ 5 h ,然后于 80 ℃左右烘干。
1.3　SF PF共混复合材料的制备
将酚醛树脂粉末 、剑麻纤维 、摩擦性能调节剂 、填
料等按配方比例混合均匀 ,在塑炼机中辊炼 ,使物料进
一步混合均匀 ,然后将物料粉碎 、干燥 ,通过模压成型
工艺制备样品 。模压工艺条件:150 ℃～ 165 ℃, 15
MPa ,4 min。冷却后 ,在150 ℃～ 170 ℃热处理4 h ～ 5
h即得到 SF PF 共混复合材料。
1.4　性能测试
1.4.1 　动态力学性能测试:美国 TA Instrument
DMA Q800型动态热机械分析仪 ,样品尺寸 30 mm×
10 mm×4 mm ,频率 1 Hz ,升温速率 3 K min ,单悬臂
模式 。
1.4.2 　蠕变和应力松弛性能 测试:美国 TA
Inst rument DMA Q800型动态热机械分析仪 ,试样尺
寸 60 mm ×10 mm ×4 mm , t =140 ℃, 时间 120
min。
1.4.3　SEM :日本 JEOL 公司的 JSM-5600LV 型扫描
电子显微镜 ,冲击断面喷碳处理。
1.4.4　冲击性能:承德精密试验机有限公司 JC-25摆
锤式冲击试验机 ,按 GB1040-92 测试 ,试样尺寸 120
mm×10 mm ×4 mm ,钳口支距 60 mm 。
1.4.5　弯曲性能:日本岛津 AG-201 型电子万能试验
机 ,按 GB1040-92 测试 ,试样尺寸 120 mm ×10 mm
×4 mm ,跨距为 60 mm ,速率为 2 mm min 。
1.4.6　磨损性能:宣化试验机厂 M-2000型磨损试验
机 ,按 GB T3960-1983 标准测试 ,载荷 200N , 转速
180 r min ,试样尺寸 30 mm ×6 mm×4 mm ,磨损时间
40 min。
2　结果与讨论
2.1　SF表面处理对 SF PF共混复合材料储能模量的
影响
储能模量(E′)与材料在每个周期中贮存的最大
弹性成正比 ,反映材料粘弹性中的弹性成分 ,也称为弹
性模量[ 6] 。它是表征材料抵抗热机械变形能力的重要
参数 ,模量越大 ,材料的刚性越大 ,愈不容易变形。
Fig .1为 SF PF 共混复合材料的动态力学曲线。
由Fig.1(1)可看出 , SF 表面处理后 , SF PF 共混复合
材料的 E′增加明显 ,尤其是 SF 经偶联剂处理后 ,复
合材料储能模量在 40 ℃时达 6310 MPa ,比未处理 SF
复合材料的储能模量(E′=2110 MPa)提高 2倍;SF
经阻燃剂处理后 , SF PF 共混复合材料的储能模量达
4872 MPa。SF 经偶联剂处理后对复合材料 E′影响
最大 ,其原因可能是由于偶联剂A-1120一端的双氨基
与酚羟基形成氢键 ,另一端的 Si-OH 与 SF-OH形成醚
键或氢键 ,由氢键形成的交联网络不仅使 SF 和 PF 之
间的界面粘接作用进一步增大 ,还可以限制分子链段
的运动 ,从而提高了复合材料的刚性。
Fig.1　DMA curves of SF PF hybrid composites with different treatments of SF
a:Untreated SF reinforced SF PF com posites;b:Alkali t reated SF PF composites;
c:Flame retardant t reated SF PF composites;d:Coupling agent t reated SF PF composites
2.2　SF表面处理对 SF PF共混复合材料损耗因子的
影响
Fig .1(2)为 SF PF 共混复合材料的力学损耗因子
与温度的关系 。从该曲线不但能看出力学损耗因子
tanδ的变化情况 ,还可以看出 SF 表面处理对 SF PF
共混复合材料 T g 的影响 。SF 经碱处理 、阻燃剂处
理 、偶联剂处理后 , SF PF 共混复合材料 T g 分别为
212 ℃、213 ℃和 216 ℃,而未处理 SF 复合材料的 T g
仅为 201 ℃,玻璃化转变温度最大提高 15 ℃,说明SF
表面处理对复合材料 T g 的提高有一定作用 。原因可
能是由于偶联剂的引入 ,使 SF 和 PF 之间的界面相容
性得到改善 ,分子链的运动能力有所降低 , 使 T g 升
高。
2.3　SF表面处理对 SF PF共混复合材料力学性能的
影响
由 Tab.1看出 ,SF 经偶联剂处理后 , SF PF 共混
复合材料的冲击强度 、弯曲强度 、弯曲模量分别为
5.20 kJ m2 、72.8 MPa、6897.53 MPa ,比未处理 SF 复
合材料分别提高了18.7%、15.4%、45.2%;SF 经阻燃
剂处理 、偶联剂处理后复合材料的磨损体积分别为
5.3×10-4 cm3 和 6.6×10-4 cm3 ,分别比未处理 SF
复合材料减少了78.2%和72.8%,表明 SF 表面处理
在一定程度上可改善复合材料的耐磨性 。
96 高分子材料科学与工程 2010年　
Tab.1　Effects of SF modif ication on mechanical properties of SF PF hybrid composites
T reatments
Impact st rength
(kJ m2)
Bending st rength
(MPa)
Bending modulus
(M Pa)
Vickers hardness
(kgf mm2)
Densit
(g cm3)
Wear volume
(cm3)
a 4.38 63.14 4751.14 33.7 1.81 0.00243
b 5.04 67.73 5704.31 35.3 1.82 0.00187
c 4.91 68.12 6553.21 34.6 1.83 0.00053
d 5.20 72.80 6897.53 35.3 1.82 0.00066
a:unt reated SF reinforced composites;b:alkali t reated SF PF composites;c:f lame retardant treated SF PF composites;d:coupling agent
t reated SF PF composites
2.4　SF表面处理对 SF PF共混复合材料的蠕变和应
力松弛的影响
聚合物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性和长期
负载能力 ,有重要的实用性 。Fig .2 为 SF PF 共混复
合材料的蠕变曲线。由蠕变曲线看到 ,未处理 SF PF
共混复合材料的应变在 120 min时为0.1659%,而 SF
经阻燃剂处理 、偶联剂处理后 SF PF 共混复合材料的
应变分别为0.1015%、0.1094%,应变明显变小 ,说明
SF 表面处理对 SF PF 共混复合材料的蠕变有明显改
善。
Fig .3为 SF PF 共混复合材料的应力松弛曲线。
由Fig .3可知 ,SF 经阻燃剂处理 、偶联剂处理后 , SF
PF 共混复合材料松弛模量的平衡值分别达到 771.6
MPa和 701.7 MPa ,比未处理 SF 复合材料的平衡值
分别提高了3.7倍和 3.3倍 ,表明 SF 表面处理能使复
合材料的强韧性得到提高 ,材料不易发生变形 。
Fig.2　The creep curves of SF PF hybrid composites
a:untreated SF reinforced composites;b:alkali t reated SF PF
composites;c: f lame retardant treated SF PF composites;d:
coupling agent t reated SF PF composi tes
Fig.3　The stress relaxation of SF PF hybrid composites
a:untreated SF reinforced composites;b:alkali t reated SF PF
composites;c: f lame retardant treated SF PF composites;d:
coupling agent t reated SF PF composites
Fig.4　SEM photographs of impact fractured surfaces of SF PF hybrid composites
a:unt reated SF reinforced composites;b:alkali t reated SF PF composites;
c:f lame retardant t reated SF PF composites;d:coupling agent t reated SF PF composites
2.5　SF PF共混复合材料冲击断面的微观形貌
从Fig .4a的 SEM 形态图看 ,未处理 SF PF 共混
复合材料的冲击断面比较清晰 、表面十分光滑 , SF 与
PF 两相分离明显。这表明 SF 与基体树脂之间粘接
性差 ,两相之间作用力较小 ,在冲断过程中 ,纤维很容
易和基体树脂分离 ,复合材料的力学性能降低。由
Fig.4(b 、c、d)可观察到 ,SF 表面处理后复合材料冲击
断面凹凸不平 ,纤维拔出后基体树脂发生了明显的形
97　第 2期 杨香莲等:剑麻纤维处理方法对 SF PF 共混复合材料动态力学性能的影响
变 ,且纤维表面有部分树脂粘附。分析原因 , SF 经碱
处理后纤维表面残留的果胶 、蜡质等得到了清除 ,纤维
表面变得粗糙 ,增大了树脂和纤维表面的粘着面积。
偶联剂的加入进一步增强了纤维与基体树脂之间的粘
接强度 , SF 和 PF 之间存在一定的相互作用力 ,从而
使作用在复合材料上的外力在 PF 基体和 SF 之间进
行传递 ,实现了 SF 对基体的增强作用[ 7] 。因此 ,当材
料在承受负载时 ,剑麻纤维将不易被剥离 、拉拔 ,复合
材料抵抗外力的能力得到提高 ,宏观上表现出复合材
料的力学性能有较大提高 。
3　结论
(1)SF 表面处理能很好地改善SF PF 共混复合材
料的动态力学性能。SF 经偶联剂处理后 ,复合材料的
储能模量比未处理复合材料提高 2 倍 ,玻璃化转变温
度提高 15 ℃。
(2)复合材料的蠕变和应力松弛实验结果表明 ,
SF 表面处理能使 SF PF 共混复合材料的抗变形能力
提高 ,从而提高了材料的蠕变和应力松弛性能 。
(3)复合材料冲击断面 SEM 图表明 ,SF 表面处理
可以改善 SF PF 共混复合材料的界面粘接性 ,宏观上
表现出复合材料的力学性能有较大提高 。
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Effects of Sisal Fiber Treatment on Dynamic Mechanical Properties of Sisal
Fiber Phenol Formaldehyde Resin Hybrid Composites
YANG Xiang-lian , WEI Chun , LV Jian , GONG Yong-yang , XIONG Xue-mei
(Key Laboratory of new processing Technology for Nonferrous Metals and Materials , Ministry of Education ,
Department of Material and Chemical Engineering , Guilin University of Technology , Guilin 541004 , China)
ABSTRACT:In this work , sisal fiber (SF)was pret reated by alkali , silane coupling agent A-1120 and flame
retardant respectively.Sisal fiber phenol formaldehyde (SF PF)composites w ere prepared through compression
molding.Effects of three t reatments on the dynamic mechanical properties , creep and st ress relaxation behavio r w ere
studied by dynamic mechanical analysis(DMA).Fracture surfaces of broken specimens of the composites w ere
examined by scanning electron microscope(SEM).The results indicate that the storage modulus and glass t ransit ion
temperature of the composites is increased enormously respectively , the storage modulus of the composite arrives at
6310 MPa , 3 times of the untreated SF reinfo rced composite , the glass t ransition temperature of the composite is
improved by 15 ℃, due to silane coupling agent treatment.The behavio rs of the stress relax at ion and creep are
improved to a g reat extend due to flame retardant t reated f iber.SEM of fractured surfaces of untreated and treated
SF PF composites clearly demonst rated better fiber-matrix bonding in the case of the latter.
Keywords:composites;DMA;creep;st ress relax ation
98 高分子材料科学与工程 2010年