全 文 ：复 合 材 料 学 报 第２９卷 　 第４期 　　８月 　２０１２年
犃犮狋犪犕犪狋犲狉犻犪犲犆狅犿狆狅狊犻狋犪犲犛犻狀犻犮犪 Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．４ Ａｕｇｕｓｔ　 ２０１２
文章编号：１０００－３８５１（２０１２）０４－００６９－０６
收到初稿日期：２０１１－０７－２７；收到修改稿日期：２０１１－１１－１８；网络出版时间：２０１２－０２－０９　１６：２１：２９
网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１８０１．ＴＢ．２０１２０２０９．１６２１．０１７．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金（５０８０３００２）；国家９７３项目（２０１０ＣＢ６３１１００）
通讯作者：李　敏，博士，副教授，研究方向为先进树脂基复合材料　Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｅｍｙ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
剑麻纤维表面特性及其浸润行为
王　娟，李　敏＊，王绍凯，顾轶卓，李艳霞，张佐光
（北京航空航天大学 材料科学与工程学院，空天材料与服役教育部重点实验室，北京１００１９１）
摘　要：　采用 Ｗｅｉｂｕｌ统计分布方法量化了剑麻纤维的横截面积，并考虑液体在剑麻纤维中空结构中的芯吸质
量，发展了基于 Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片法原理测试剑麻纤维与液体动态接触角的表征方法。在此基础上，分析了不同表
面处理方法对剑麻纤维微观结构、表面化学组成、表面能及其色散、极性特性的影响规律，并测试了剑麻纤维与
Ｅ５１环氧树脂的浸润性。结果表明：ＮａＯＨ、阻燃剂处理使剑麻纤维表面极性官能团增加，纤维的表面能极性分
量增加显著；硅烷处理增加了剑麻纤维表面的极性基团含量，但使其极性分量减小，表面能略有下降；并且剑麻
纤维与Ｅ５１树脂的浸润性与其极性比匹配特性密切相关。
关键词：　剑麻；浸润；接触角；表面能；Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片法
中图分类号：　ＴＢ３３２　　　文献标志码：　Ａ
Ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｅｔｔｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒｓ
ＷＡＮＧ　Ｊｕａｎ，ＬＩ　Ｍｉｎ＊，ＷＡＮＧ　Ｓｈａｏｋａｉ，ＧＵ　Ｙｉｚｈｕｏ，ＬＩ　Ｙａｎｘｉａ，ＺＨＡＮＧ　Ｚｕｏｇｕａｎｇ
（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，
Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎｇｌｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｈｅｌｍｙ　ｐｌａｔｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｗａｓ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｗｅｉｂｕｌ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ
ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｗｉｃｋｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｈｏｌｏｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ．Ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，
ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｓ　ｗｅｌ　ａｓ　ｉｔｓ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｐｏｌａｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ
ａｎｄ　Ｅ５１ｅｐｏｘｙ　ｒｅｓｉｎ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｏｌａｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｇｒｏｕｐｓ　ａｎｄ　ｐｏｌａｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ａｒｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ＮａＯＨ　ａｎｄ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔｓ．
Ａｌｔｈｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｏｌａｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｇｒｏｕｐｓ　ａｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　ｓｉｌａｎｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｐｏｌａｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ
ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　Ｅ５１ｒｅｓｉｎ　ｉｓ　ｃｌｏｓｅｌｙ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ
ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｏｌａｒ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｉｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ；ｗｅｔｔｉｎｇ；ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎｇｌｅ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ；Ｗｉｌｈｅｌｍｙ　ｐｌａｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ
　　近年来，天然纤维复合材料受到较为广泛的关
注［１－４］，如以麻、竹纤维为代表的高性能植物纤维。
该类纤维密度低、比强度和比模量与玻璃纤维相
当，且可降解、与人体亲和性好、原料来源广泛、
价格低，因而在汽车、建筑等领域得到大量应用。
植物纤维表面极性大、亲水性强［５］，且易燃
烧［６］，因此，植物纤维在与基体树脂复合前，通常
要进行表面改性处理，以降低其吸水性、增强与低
极性基体树脂的相容性［７］从而提高其阻燃性能。表
征植物纤维的浸润性能及其与基体树脂的界面性能
对掌握植物纤维／树脂的匹配特性，发展高性能植
物纤维增强复合材料至关重要。以剑麻纤维为代表
的一类植物纤维，因表面粗糙、物理和化学结构不
均一，截面具有孔隙结构［８－１０］，使其表面润湿性能
的定量表征具有一定特殊性。
国内外学者通过毛细浸润和 Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片法
表征植物纤维的浸润性。研究者利用 Ｗａｓｈｂｕｒｎ方
程分析液体在植物纤维堆积体中的毛细上升曲线，
DOI:10.13801/j.cnki.fhclxb.2012.04.015
通过Ｚｉｓｍａｎ类推法得到纤维的表面能，Ａｌｅｘｉｓ、
Ｒｏｎｇ、Ｃａｎｔｅｒｏ等采用该法研究了马尼拉麻纤维、
剑麻纤维及亚麻纤维等的表面能［１１－１３］，该测试方法
忽略了纤维吸胀对结果的影响，不能给出接触角数
据。鲁汶大学利用 Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片法研究了椰子纤
维和竹纤维的浸润性，发现液体吸收和纤维的表面
物理结构不均一对接触角结果有较大影响［１４－１５］。
本文中以剑麻纤维为研究对象，采用 Ｗｉｌ－
ｈｅｌｍｙ吊片法研究了纤维与液体的吸收和浸润特
性，分析了剑麻纤维表面处理对其微观结构、表面
能、表面极性官能团含量，以及剑麻纤维与Ｅ５１树
脂浸润性的影响。
１　实验材料及方法
１．１　原材料
剑麻纤维，以及ＫＭｎＯ４、ＮａＯＨ、阻燃剂、硅
烷改性后的剑麻纤维，均由同济大学提供，实验前
于６０℃烘箱中干燥４ｈ。
液体：去离子水，市售；乙二醇，分析纯（Ａ．
Ｒ），北京化工厂；二碘甲烷，Ａ．Ｒ，百灵威科技有
限公司。
Ｅ５１树脂：环氧值０．４８～０．５４，无锡迪爱生环
氧树脂有限公司。
三种小分子液体及Ｅ５１树脂的表面张力及其
色散、极性分量见表１。
表１　测试液体（２０℃）和Ｅ５１树脂（５０℃）的表面张力
及其极性、色散分量
Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｐｏｌａｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｏｆ　ｐｒｏｂｅ　ｌｉｑｕｉｄｓ（２０℃）ａｎｄ　Ｅ５１ｒｅｓｉｎ（５０℃）
Ｌｉｑｕｉｄ
Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ／（ｍＮ·ｍ－１）
γｌ γｄｌ γｐｌ
γｐｌ／γｌ
Ｄｉｏｄｏｍｅｔｈａｎｅ　 ５０．８　 ５０．８　 ０．０　 ０．００
Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｇｌｙｃｏｌ　 ４８．０　 ２９．０　 １９．０　 ０．４０
Ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ　ｗａｔｅｒ　 ７２．８　 ２１．８　 ５１．０　 ０．７０
Ｅ５１　 ４５．１　 ３４．３　 １０．８　 ０．２４
Ｎｏｔｅ：γｐｌ－Ｐｏｌａｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ；γｄｌ－Ｄｉｓｐｅｒ－
ｓｉｖｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ；γｌ－Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ
ｌｉｑｕｉｄ．
１．２　润湿周长和纤维截面积的测试
实验采用光学显微方法得到剑麻纤维的截面照
片，利用图像分析软件Ｉｍａｇｅ－Ｐｒｏ　Ｐｌｕｓ　６．０测定纤
维的截面周长和面积，如图１示。每种剑麻纤维均
统计６０组以上，利用 Ｗｅｉｂｕｌ 分布对所测的周长
和面积数据进行拟合，以拟合后的 Ｗｅｉｂｕｌ函数的
图１　纤维润湿周长及面积图像处理软件分析示意图
Ｆｉｇ．１　Ｉｍａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗｅｔｔｉｎｇ　ｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ
ａｒｅａ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｕｓｉｎｇ　Ｉｍａｇｅ－Ｐｒｏ　Ｐｌｕｓ　６．０
数学期望作为纤维润湿周长和面积的平均值。
１．３　接触角测试表征
基于 Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片原理，采用ＤＣＡＴ２１动态
接触角及表面／界面张力仪测试了剑麻纤维与液体
的接触角。测试过程中质量检测临界感应值为
０．１ｍｇ，测试速度为０．０１ｍｍ／ｓ，纤维浸入深度为
３ｍｍ，每次测试重复五次。实验采用五根纤维彼
此平行地以一定速度垂直浸入液体池，通过天平测
定液体对纤维的润湿力计算得到接触角：
Ｆ＝γｌＬｃｏｓθ－ρｌｇＡｈ （１）
式中：Ｆ为天平检测到的力；γｌ为测试液体的表面
张力；Ｌ为纤维的润湿周长；θ为接触角；ρｌ为液体
的密度；ｇ为重力加速度；Ａ为纤维的润湿面积；ｈ
为纤维浸入液面的深度。采集不同浸入深度对应的
力Ｆ，外推至ｈ＝０时的截距（Ｆｈ＝０）即为润湿力
γｌＬｃｏｓθ，代入液体表面张力和纤维润湿周长，则可
计算得到接触角。
１．４　纤维表面化学组成的测试
利用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ，ＰＨＩ　Ｑｕａｎｔｅｒａ
ＳＸＭ）测试了剑麻纤维表面Ｃ元素的结合状态。实
验选用 Ａｌ阳极靶，电子入射角４５°，能量分辨率
０．５ｅＶ，灵敏度３ＭＣＰＳ，溅射采用扫描型Ａｒ＋枪，
面积为１ｍｍ×１ｍｍ，溅射速率约为１８ｎｍ／ｍｉｎ，
能量为１．０ｋＶ，发射电流２０ｍＡ。
２　结果与讨论
２．１　剑麻纤维形貌及其浸润特性
图２为剑麻纤维表面的扫描电镜图像和横截面
的光学显微图像。由截面图可知，每根剑麻纤维由
几十乃至上百根直径微米级的中空微纤组成；剑麻
·０７· 复 合 材 料 学 报
图２　不同处理方法所得剑麻纤维的微观形貌
Ｆｉｇ．２　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｆｔｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
纤维表面粗糙，沿纤维轴向存在沟槽结构，沟槽内
部随机存在垂直于纤维轴向的凸起；其横截面呈大
小不一的腰果形，且沿纤维轴向存在尺寸不均一的
微米级孔隙结构。表面改性处理后，剑麻纤维表面
的粗糙状况、横截面的周长及面积、孔隙的尺寸等
结构参数均发生了不同程度的改变：ＫＭｎＯ４ 处理
后剑麻纤维变粗，孔隙尺寸增大；ＮａＯＨ处理后的
剑麻纤维表面沟壑增加；阻燃剂处理后剑麻部分微
纤被腐蚀出次生壁纤维素的螺旋结构，大大地增加
了粗糙程度；硅烷处理后剑麻纤维变细，表面呈现
大量的絮状粗糙结构。
图３为不同剑麻纤维的润湿周长和面积。可
见，表面处理后，剑麻纤维的截面周长和面积均增
大；ＫＭｎＯ４ 和阻燃剂处理后周长显著增加（分别增
加了７４．７％和８２．５％），ＫＭｎＯ４ 处理后截面积增
大了３倍。
图３　不同剑麻纤维的润湿周长和面积
Ｆｉｇ．３　Ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒｓ
图４为 Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片法测试剑麻纤维与水的
接触角过程的典型质量与浸入深度关系曲线。由图
４（ａ）可见，其前进曲线呈现三个阶段：第Ⅰ阶段纤
维底端未接触液面时质量基本不随时间变化；第Ⅱ
阶段纤维底端开始接触液面后，质量随纤维浸入深
度快速增加，该阶段是液体吸收和弯月面形成（润
湿力形成）的过程；第Ⅲ阶段液体吸收饱和、弯月面
形成后，质量随纤维浸入深度呈线性变化。
当纤维浸入深度小于１ｍｍ时，后退阶段的测
试质量大于前进阶段，两者的质量增量Δｍ 由两部
分组成：（１）由于纤维本身的孔隙结构引起的接触
角测试过程中对液体的毛细吸收；（２）纤维脱离液
面时黏附在纤维表面的液体质量。因纤维的表面积
很小，黏附质量不足０．０５ｍｇ，后者的影响可以忽
略。因此，剑麻纤维接触角测试恒定段后退线与前
进线的差值可以等效为剑麻纤维中空结构芯吸液体
的质量Δｍ＝ｍ０。
利用前进角测试曲线的第Ⅲ阶段外推求解得到
前进接触角，如图４（ｂ）所示。根据 Ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片
法理论，存在液体芯吸增重情况时，计算纤维与液
体的接触角需要减去液体的吸收量ｍ０：
ｃｏｓθ＝Ｆｈ＝０－ｍ０ｇＬγｌ
（２）
实验测得的各种剑麻纤维对去离子水、乙二
醇、二碘甲烷三种液体的芯吸质量见图５。
２．２　剑麻纤维的表面色散／极性特征
图６给出了不同表面处理后剑麻纤维与测试液
体的前进接触角。其中实验测试液体按极性大小依
次为：去离子水＞乙二醇＞二碘甲烷。ＮａＯＨ和阻
燃剂处理使剑麻纤维与去离子水的接触角减小，而
·１７·王　娟，等：剑麻纤维表面特性及其浸润行为
硅烷处理反之，ＫＭｎＯ４ 处理影响不明显；除
ＮａＯＨ处理的剑麻外，ＫＭｎＯ４、阻燃剂、硅烷三种
表面处理均使剑麻纤维与乙二醇的接触角增大；四
种表面处理均能使剑麻与二碘甲烷的接触角减小。
图６　剑麻纤维与不同液体的前进接触角
Ｆｉｇ．６　Ａｄｖａｎｃｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎｇｌｅｓ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｂｅ　ｌｉｑｕｉｄｓ
根据ＯＷＲＫ理论：
γｌ（１＋ｃｏｓθ）＝２（γｐｓ·γｐｌ）
１
２ ＋２（γｄｓ·γｄｌ）
１
２ （３）
已知液体与剑麻纤维的接触角，采用表１中测试液
体的表面张力及其色散、极性分量，即可计算得到
纤维的表面能及色散、极性分量，如表２所示。可
见表面处理对剑麻纤维的极性分量影响显著，对色
散分量的影响较小。ＮａＯＨ 和阻燃剂处理分别使
剑麻纤维的极性分量增大了１．５倍和１．７倍；而硅
烷处理使极性分量降低了５０％，总表面能略有
下降。
表２为５０℃时五种剑麻纤维的表面能及其与
Ｅ５１树脂的接触角、黏附功数据。可见，未改性剑
麻与Ｅ５１树脂的接触角最小，表面改性后剑麻纤维
与Ｅ５１树脂的接触角增大，浸润性变差。这是由于
Ｅ５１树脂的总表面能为４５．１ｍＮ／ｍ，大于剑麻纤维
的表面能，从热力学上不利于浸润。表２中未改性
剑麻纤维的极性比为０．２４，与Ｅ５１树脂的极性比
相同（见表１数据），按照相似相容原理，两者的浸
润性较好。表面改性后的剑麻纤维极性比偏离
０．２４，与Ｅ５１树脂的浸润性变差，接触角增大。依
据Ｙｏｕｎｇ－Ｄｕｐｒｅ方法：
Ｗａ＝γｌ（１＋ｃｏｓθ） （４）
可计算得到剑麻纤维与Ｅ５１树脂的黏附功Ｗａ，列
于表２。结果表明，未改性剑麻与Ｅ５１树脂的黏附
功最大，黏附作用最好。
表３为剑麻纤维表面含碳官能团的相对含量。
其中Ｃ１ 峰为非极性键，Ｃ２ 峰代表植物纤维主要成
·２７· 复 合 材 料 学 报
表２　５０℃时剑麻纤维的表面能及其与Ｅ５１树脂的接触角、黏附功
Ｔａｂｌｅ　２　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎｇｌｅ，ｗｏｒｋ　ｏｆ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　Ｅ５１ａｔ　５０℃
Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ γｐｓ／（ｍＮ·ｍ－１） γｄｓ／（ｍＮ·ｍ－１） γｓ／（ｍＮ·ｍ－１） γｐｓ／γｓ Ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎｇｌｅ／（°） Ｗａ／（ｍＪ·ｍ－２）
Ｕｎｔｒｅａｔｅｄ　 ６．０６　 １９．７１　 ２５．７７　 ０．２４　 ６５　 ６４．１
ＫＭｎＯ４ ５．９５　 ２０．５９　 ２６．５４　 ０．２２　 ７４　 ５７．５
ＮａＯＨ　 １４．８９　 ２０．６５　 ３５．５４　 ０．４２　 ７１　 ５９．８
Ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　 １６．３６　 １６．２４　 ３２．６０　 ０．５０　 ７０　 ６０．５
Ｓｉｌａｎｅ　 ３．０５　 ２０．６２　 ２３．６７　 ０．１３　 ７５　 ５６．８
Ｎｏｔｅ：γｐｓ－Ｐｏｌａｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｒｅｅ　ｅｎｅｒｇｙ；γｄｓ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｒｅｅ　ｅｎｅｒｇｙ；γｓ－Ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｒｅｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ
ｓｏｌｉｄ；Ｗａ－Ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｗｏｒｋ．
表３　ＸＰＳ测得剑麻纤维表面的Ｃ１ｓ谱峰数据
Ｔａｂｌｅ　３　Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｏｆ　Ｃ１ｓｐｅａｋｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ
ｂｏｎｄｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ（ｅＶ）＊，ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ＸＰＳ　ｏｎ　ｓｉｓａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ
Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
Ｃａｒｂｏｎ　ａｔｏｍｉｃ　ｆｒａｃｔｉｏｎ／％
Ｃ１＋Ｃ２ Ｃ３＋Ｃ４
Ｕｎｔｒｅａｔｅｄ　 ８９．４７　 １０．５３
ＫＭｎＯ４ ９３．７３　 ６．２７
ＮａＯＨ　 ７４．８４　 ２５．１６
Ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　 ８１．１４　 １８．８６
Ｓｉｌａｎｅ　 ８３．３７　 １６．６３
＊Ｃ１：２８４．８ｅＶ　ｏｆ　Ｃ—Ｃ，Ｃ—Ｈ；Ｃ２：２８６．３ｅＶ　ｏｆ　Ｃ—Ｏ—Ｃ；
Ｃ３： ２８７．７ｅＶ　ｏｆ　Ｃ　 Ｏ，Ｏ—Ｃ—Ｏ；Ｃ４：２８８．８ｅＶ　ｏｆ　Ｏ— Ｃ　 Ｏ．
分木质素、纤维素、半纤维素的主要化学结构之
一［５］，而Ｃ３ 和Ｃ４ 峰则代表剑麻纤维表面的极性官
能团。可知，ＮａＯＨ和阻燃剂处理后剑麻纤维表面
的极性官能团的含量分别是未处理剑麻的２．４倍和
１．８倍，即ＮａＯＨ和阻燃剂处理显著增加了剑麻纤
维表面的极性官能团含量，其表面能的极性分量亦
显著增大。ＫＭｎＯ４ 处理后，剑麻纤维表面极性官
能团含量改变不大，其表面能变化也不明显；硅烷
处理虽然使Ｃ３ 和Ｃ４ 极性官能团的含量有所增加，
但是其表面极性分量下降明显，这可能是由于氢键
作用极大减小了剑麻纤维表面的羟基含量。
３　结　论
（１）剑麻纤维截面呈腰果状，具有中空微纤结
构。采用 Ｗｅｉｂｕｌ分布拟合方法，可以统计得到剑
麻纤维的润湿周长和截面积。研究结果表明，
ＫＭｎＯ４、ＮａＯＨ、阻燃剂、硅烷表面处理后，剑麻
纤维的截面积均增大。
（２）考虑纤维中空结构对液体的芯吸质量，发
展了 Ｗｉｈｅｌｍｙ方法测试剑麻纤维与液体的动态接
触角方法，结果表明表面处理后剑麻纤维与二碘甲
烷的接触角减小。
（３）ＮａＯＨ和阻燃剂处理显著增加了剑麻纤维
表面的极性基团（Ｏ— Ｃ　 Ｏ及Ｏ—Ｃ—Ｏ）含量，纤
维的表面能极性分量增大；硅烷处理使剑麻纤维表
面极性基团含量增加但其表面能极性分量减小，总
表面能略有下降。
（４）５０℃下剑麻纤维与Ｅ５１树脂的浸润性主
要与其极性比密切相关，未改性剑麻纤维与Ｅ５１树
脂极性比相当，浸润性最佳。
致　谢：本论文研究所用的剑麻纤维为同济大学李
岩教授提供，在此表示感谢。
参考文献：
［１］　王　戈，陈复明，程海涛，等．含孔天然纤维织物复合材料力
学性能 ［Ｊ］．复合材料学报，２０１０，２７（４）：１９５－１９９．
Ｗａｎｇ　Ｇｅ，Ｃｈｅｎ　Ｆｕｍｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇ　Ｈａｉｔａｏ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　ｆｉｂｒｅ　ｔｅｘｔｉｌｅｓ　ｌａｍｉｎａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｈｏｌｅ［Ｊ］．Ａｃｔａ
Ｍａｔｅｒｉａｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔａｅ　Ｓｉｎｉｃａ，２０１０，２７（４）：１９５－１９９．
［２］　Ｂｒｕｃｅ　Ｄ　Ｍ，Ｈｏｂｓｏｎ　Ｒ　Ｎ，Ｆａｒｒｅｎｔ　Ｊ　Ｗ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｉｇｈ－
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｆｒｏｍ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ　ｐｌａｎｔ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｃｅｌ　ｗａｌｓ
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·４７· 复 合 材 料 学 报