全 文 ：第23卷　第6期
Vol .2 3 　No .6
材　料　科　学　与　工　程　学　报
Journal of Materials Science &Engineering 总第98期Dec.20 05
文章编号:1673-2812(2005)06-0839-04
收稿日期:2005-01-03;修订日期:2005-03-28
基金项目:广西教育厅科研资助项目(2004[ 20]),广西区学位委员会 2003年学位授权点学科建设经费资助项目
作者简介:韦　春(1959-),女 ,广西南宁人 ,教授 ,博士 ,从事高分子复合材料方面的研究。Email:glweichun@tom.com
剑麻纤维 酚醛树脂复合材料的动态力学性能 、力学性能和热性能
韦　春1 , 2 ,牟秋红2 ,牛永亮2 ,傅　裕2 ,陈　滔2
(1.有色金属材料及其加工新技术省部共建教育部重点实验室 ,广西桂林　541004;
2.桂林工学院材料与化学工程系 , 广西桂林　541004)
　　【摘　要】　采用碱处理方法对剑麻纤维(SF)进行处理 、细化 , 通过模压成型制备剑麻纤维 酚醛树脂(SF PF)复合材
料。采用动态力学(DMA)、力学性能 、热膨胀性能等测定研究了剑麻纤维的加入量对复合材料的动态力学性能 、冲击强
度 、弯曲强度 、弯曲模量 、比强度 、比模量 、耐磨性能 、热膨胀性能的影响 ,用扫描电镜(SEM)观察了材料冲击断面和磨损
面的形态。结果表明 ,制得的 SF PF复合材料的α转变温度提高 , 贮存模量提高 , 材料的力学性能和耐磨性得到显著改
善 ,加入 SF的复合材料的冲击断裂面出现明显的纤维拔出形态 ,材料的磨损面呈现粘着磨损特征形态。
【关键词】　剑麻纤维;酚醛树脂;增强;性能
中图分类号:TQ352.62 , S563.8　　　　文献标识码:A
Dynamic Mechanical Properties ,Mechanical Prioerties
and Thermal Properties of Sisal Fibre phenol
Formaldehyde Composites
WEI Chun
1 , 2 , MU Qiu-hong2 , NIU Yong-liang2 , FU Yu2 , CHEN Tao2
(1.Key laboratory of nonferrous materials and new processing technology , ministry of education , Guilin　541004 , China;
2.Department of Material and Chemical Engineering , Guilin University of Technology , Guilin　541004 , China)
【Abstract】　After alkali treatment sisal fibre(SF)was smashed , sisal fibre phenol formaldehyde composites were prepared through
compression molding.Dynamic mechanical analysis(DMA), mechanical properties and the thermal dilatability measurements were used to
study the effects of SF content on dynamic mechanical properties , impact strength , bending strength , bending modulus , specific strength ,
specific modulus , wear resistance and thermal dilatability.The morphologies of the fracture surface of the impact specimen and wear
resistance surface were observed by SEM.Results showed that the temperature of α relaxation , the storage modulus , the mechanical
properties , wear resistance were enhanced for the SF PF composites.SEM observation of the fracture surface of the impact specimen showed
that the toughed fracture characters are appeared;the wear resistance surface indicated adhesive wear characters.
【Key words】　sisal fibre;phenol formaldehyde;reinforce;properties
1　前　言
聚合物基复合材料具有低密度 、高比强度 、良好的热稳
定性 、耐冲击 、耐腐蚀和耐磨损等优良性能 ,具有单一金属 、
陶瓷或聚合物所不具备的综合性能 ,加上其可设计性 、易加
工性 , 目前已广泛应用于航空航天 、化工及建筑等工业部
门[ 1] 。
剑麻(Sisal)是一种多年生的天然硬质纤维作物 , 剑麻纤
维(SF)取自剑麻叶片中的维管束纤维 , 它具有质地坚韧 、拉
力强 、耐摩擦 、耐酸碱 、耐海水腐蚀以及耐低温等多种优点 ,
由于 SF 价格低廉 , 比强度和比模量高 , 可作为聚合物基复
合材料的增强材料 ,近年来 , SF 增强树脂基复合材料的研究
工作已有很多报道[ 2-8] ,但由于其吸水性大 、与树脂基体的反
应性低 , 所以未经处理的剑麻纤维与树脂基的界面粘结不
理想 ,导致材料的力学性能不高 ,从而限制了剑麻纤维在树
脂基复合材料中的应用。
本文采用碱处理方法对剑麻纤维进行处理 , 与苯酚 、甲
醛共同进行原位合成酚醛树脂 , 制备了剑麻纤维 酚醛树脂
复合材料 ,用 DMA 研究了复合材料的动态力学性能 ,并考察
了剑麻纤维的用量对复合材料的力学性能 、耐磨性能和热
膨胀性能的影响 , 对材料冲击断面和磨损面的形态结构与
DOI :10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2005.06.015
性能之间的关系进行了分析。
2　实验部分
2.1　原材料
剑麻纤维(SF):束状白色长纤 , 广西剑麻集团公司提
供 ,使用前剪成 3 ～ 5cm , 80℃烘干;酚醛树脂:自制。
2.2　SF的表面处理
将SF 丝束浸泡于质量百分比为 2%的 NaOH 溶液中 ,
80℃下处理 4h , 水洗至中性。烘干备用 ,浴比控制在 1∶25。
2.3　SF PF复合材料的制备
将处理后的 SF、苯酚 、甲醛 、催化剂 , 一起加入到反应瓶
中 ,进行酚醛树脂的合成。将合成的剑麻纤维 酚醛树脂原
位材料与有机填料 、无机填料 、固化剂 、固化促进剂 、润滑剂
等在炼塑机上进行辊炼 ,将物料粉碎 , 通过模压成型方式制
成SF PF复合材料。模压成型工艺条件:加料温度 160℃;成
型温度 155～ 165℃;成型压力 5.5MPa;固化时间 4min。
2.4　仪器设备
XJJ-5 型冲击实验机 ,承德试验机有限责任公司 ,材料冲
击强度按GB1043-79测试。
AG-201 型电子万能试验机 , 日本岛津公司生产 , 弯曲实
验速率 2mm min , 跨距 60mm , 按GB1040-92测试。
MM200型磨损试验机 , 上海仪器厂生产 , 材料磨损体积
(V)按照 GB 3960-83 测试。
美国流变公司 DMTAV 型动态热机械分析仪 , 样品尺
寸:3.0cm×0.1cm×0.4cm , 频率 110Hz , 升温速率:5K min ,温
度范围:室温～ 350℃。
采用德国 NETZSCH DIL 402C 型热膨胀仪 , 升温速率
10K min。
冲击试样断面和磨损试样面喷金处理 , 利用日本 JEOL
公司的 JSM-5600LV型扫描电子显微镜对复合材料形貌进行
观察。
3　结果与讨论
3.1　剑麻纤维的加入量对复合材料动态力学性能的影响
图 1是剑麻纤维的用量对复合材料动态力学性能影响
曲线。从曲线中可以得到几个表征玻璃化转变区的参数:α
松弛对应温度(Tα),松弛峰的高度(hα), 储能模量(E、),有关
数据列在表 1中。
表 1　SF含量对复合材料动态力学性能的影响
Table 1　Effects of SF content on dynamic mechanical properties
of SF PF composites
SF content % Tα ℃ E 、(100℃) Gpa hα
0 208 3.62 0.34
10 218 4.19 0.32
20 209 5.60 0.25
30 214 5.21 0.19
图 1　SF 含量对复合材料动态力学性能的影响
Fig.1　Effect s of SF content on dynamic mechanical
properties of SF PF composi tes
　
　　从图1 看到 , 与未填充SF 的PF材料相比 , SF PF复合材
料的 tanδ峰略向高温移动 ,同时随着 SF含量的增加 ,损耗峰
降低 , 特别是在 SF加入量达到 20%时 , E′(100℃)比未加 SF
的增加了 1 倍多 ,由此可见 , SF 的加入 , 对整个复合材料基
体强度的提高是有作用的 ,它说明 SF 起到了支撑基体的作
用 ,而这种作用的产生应该与 SF与树脂之间具有良好的粘
结是分不开的。
3.2　SF用量对 SF PF 复合材料力学性能的影响
改变SF 的加入量 ,制备 SF PF 复合材料 ,测试其冲击强
度 、弯曲强度 、弯曲模量 、比强度 、比模量 ,结果列于表 2。
表 2　SF含量对复合材料力学性能的影响
Table 2　Effects of SF content on mechanical properties
of SF PF composites
SF
content
%
Impact
strength
KJ·m-2
Bending
strength
MPa
Bending
modulus
MPa
Specific
strength
MPa·cm3g-1
Specific
modulus
MPa·cm3g-1
0 4.23 77.72 7091.6 53.79 4907.6
10 4.49 82.16 8011.3 56.62 5521.2
20 4.78 81.57 8203.4 54.85 5053.5
30 5.29 81.89 8311.2 55.63 5646.2
40 5.47 80.21 8657.2 54.27 5857.4
50 5.81 79.07 8705.6 53.25 5862.4
60 5.37 77.18 9081.7 51.73 6086.9
　　从冲击强度和弯曲强度与 SF用量的对应关系看 , 复合
材料的冲击强度随SF 用量的增大而增大 ,在 SF加入量达到
50%时达到最大值 5.81KJ m2 ,提高了 37.35%;弯曲强度也
有提高。值得一提的是 ,摸量和比摸量的提高尤其明显 , 而
且随着SF用量的增加而增加 ,这主要因为 SF 的密度小 , 相
对玻璃纤维而言 , 在同样的重量下 , SF 的增强效果更明显。
·840·　 　　　材料科学与工程学报 2005年 12 月
我们知道 , 影响复合材料强度的主要因素是纤维与基体间
的界面粘合性。当SF含量较低时 , 复合材料的强度主要取
决于基体树脂 , SF在基材中所起的增强作用不足以抵消纤
维在基材中形成的应力缺陷所起的破坏作用;随 SF 含量的
增加 ,复合材料所受的应力均匀分布 , 强度才得以提高 , 纤
维承载作用得到体现;当含量达到临界纤维分数时出现最
大强度值。之后纤维含量继续增加造成了纤维在树脂中的
分散性下降和界面间的粘合性变差 , 因此复合材料的强度
随纤维含量的增加而下降。
3.3　SF用量对 SF PF 复合材料耐磨性能的影响
对于不同 SF用量的 SF PF复合材料 , 测试其耐磨性能 ,
结果列于表 3。从表中可以看出 , 随着 SF 加入量的增加 ,复
合材料的磨损体积减小 , 这说明复合材料的耐磨性随着 SF
的增加变好。当纤维用量达到 60%时 , 其耐磨性比纯树脂
提高了近 1.5 倍。我们知道 SF具有质地坚韧 、耐摩擦等优
良特性 ,加入树脂以后 , 纤维支撑了磨损接触面之间的部分
载荷 ,因此提高了复合材料的耐磨性 , 由此看到剑麻纤维的
加入量对材料的磨损性能有较大影响。
表 3　SF PF 复合材料的耐磨损性能
Table 3　Wear resistance properties of SF PF composites
SF content % m1 g m2 g (m1 -m2) g V 10-3cm3
0 1.733 1.716 0.017 11.77
10 1.719 1.706 0.013 8.96
20 1.657 1.645 0.012 8.19
30 1.812 1.801 0.011 7.62
40 2.044 2.034 0.010 6.79
50 2.206 2.198 0.008 5.41
60 2.208 2.201 0.007 4.74
3.4　SF用量对 SF PF 复合材料的热膨胀性能的影响
聚合物在 Tg 以下时 , 链段运动被冻结 ,高聚物随温度升
高发生膨胀是正常的分子膨胀造成的 , 主要是克服原子间
的主价力和次价力 ,膨胀系数较小。 Tg 以上时 ,链段开始运
动, 分子链本身也发生膨胀 , 膨胀系数较大 , Tg时比体积-
温度曲线出现转折。
　　图 2(a)(b)是复合材料的热膨胀性能及 Tg 曲线。当剑麻
纤维用量分别为0 , 10%, 20%, 30%, 50%, 60%时 ,对应复合材
料的 Tg 分别为 167℃, 187℃, 189℃, 198℃, 194℃,同时明显看
到复合材料的热膨胀转变温度在提高 ,而膨胀体积在减小 ,说
明加有剑麻的复合材料结构刚性提高 , SF 在基体中起到较好
的支撑作用 ,其原因与 SF与基体结合良好有关。
图 2　SF PF 复合材料的热膨胀性能和 Tg
Fig.2　Thermal di latabi lity and Tg of SF PF composites
3.5　材料形貌分析
3.5.1　材料冲击断面的形貌　　图 3 是不同 SF加入量复
合材料冲击断裂面的SEM , 照片 a为未加SF材料的断面形
a.SF 0% b.SF 10% c.SF 50%
Fig.3　SEM micrographs of the f racture surfaces for composites　
·841·第 23 卷第 6 期 韦　春 , 等.剑麻纤维 酚醛树脂复合材料的动态力学性能 、力学性能和热性能 　
态结构 , 冲击断面形貌非常平滑 , 且在同一方向发生断裂 ,
说明裂纹扩展时阻力很小 ,几乎没有塑性变形 , 呈脆性断口
特征 ,属于脆性断裂。照片 b 是 SF 用量为 10%时的复合材
料的断面形态结构 ,可以看到照片中有明显的纤维拔出 、纤
维断裂和树脂被拉伸等现象 , 与 a 照片相比 , SF PF复合材
料的断面形貌变复杂 ,不再是简单的脆性断裂 。从照片 c看
出 ,随着剑麻纤维用量的增加 , 复合材料冲击断面出现较多
的纤维 ,且空洞增加 , 说明试样断裂的同时伴随明显的纤维
拔出现象 ,清楚表明纤维起到了阻碍裂纹扩展的作用。
3.5.2　材料磨损面的形貌　　图 4 为材料磨损后的 SEM
照片 ,照片 a为未加SF 的酚醛材料试样磨损面形态结构 , 磨
损面出现不规则形状的凹坑 ,凹坑深浅不一 , 即发生了明显
的表面疲劳磨损 , 浅凹坑为浅层剥落 , 深凹坑则为深层剥
落。
a.SF 0% b.SF 10%
图 4　SF PF 复合材料磨损面的 SEM照片
Fig.4　SEM micrographs of the worn surfaces for composites
　
　　照片 b 是加入 10%SF 后的 SF PF 复合材料磨损面形
态 ,可以看到磨损面呈现大小不等的疤状结构 , 与 a 相比 ,
SF PF 复合材料的磨损机理发生了改变。这是明显的粘着
磨损特征。同时从照片还可以看到在材料磨损表面存在裸
露的纤维 ,这说明在磨损过程中纤维承担了一定的载荷 ,起
到了改善材料耐磨性能的作用。虽然关于纤维与基体的作
用及其强化机理非常复杂 ,目前还存在争论 , 但是通过前面
磨损实验数据和磨损后材料的表面形貌我们仍然可以确
定 , SF的加入改善了 SF PF 复合材料的耐磨性。
参 考 文 献
[ 1] 　R P 谢尔登.聚合物基复合材料[ M] .北京:机械工业出版社 ,
1989.
[ 2] 　何春霞 ,史丽萍 ,沈惠平.纳米Al2O3填充聚四氟乙烯摩擦磨损
性能的研究[ J] .摩擦学学报, 2000 , 20(2):153～ 155.
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性能的影响[ J] .材料工程 , 2002, 2:38～ 42.
[ 4] 　Augustine , Paul , Kuruvilla , Joseph , Sabu , Thomas.Effect of surface
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and Technology , 1997 , 57(1):67～ 79.
[ 5] 　Yan Li , Yiu-Wing Mai , Lin Ye.Sisal fiber and its composites:a
review of recent developments [ J ] .Composites Science and
Technology , 2000, 60:2037～ 2055.
[ 6] 　杨桂成 ,曾汉民 ,李家驹.剑麻纤维 酚醛树脂复合材料的研究
[ J] .玻璃钢 复合材料 , 1997 ,3:12～ 14.
[ 7] 　杨桂成 ,曾汉民 ,张维邦.剑麻纤维的热处理及热行为的研究
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·842·　 　　　材料科学与工程学报 2005年 12 月