竹纖維增強聚丙烯基復合材料的制備及其吸濕性能

葉張龍，王春紅，王 瑞，王紅菊，王 航

（1.天津工業大學紡織學部，天津 300387；2.中國紡織信息中心，北京 100742）

天然植物纖維是樹脂基復合材料研究和開發的熱點[1-2]，竹材生長周期短，竹纖維制備成本低、能耗少，被廣泛應用于聚合物基復合材料[3-4]以開發轎車門內板、座椅背板、儀表盤，以及卡/客車門板、頂棚等[5-6].但汽車在戶外使用時，會受到溫濕度、光照、雨雪、風沙等環境因素的作用，影響汽車的使用壽命和性能[7].此外，竹纖維的主要成分是纖維素，其多羥基結構使竹纖維具有較強的極性和親水性[8-9].因此，研究竹纖維增強復合材料的濕熱老化性能具有重要意義.本課題制備竹纖維增強聚丙烯基復合材料，探索優化結構和竹纖維表面性能對復合材料吸濕性能的影響.

1 實驗部分

1.1 原料與設備

原料：竹纖維，福建建州竹業科技開發有限公司產品，長30～35 mm，細度5 tex；聚丙烯纖維（PP），山東陵縣華龍化纖有限公司產品，長38 mm，細度1.7 dtex.

設備：K100接觸角測量儀，德國KRUSS公司產品；SW-F濕熱老化箱，天津天宇實驗設備有限公司產品.

1.2 竹纖維堿處理

配制質量分數分別為3%、5%和7%的NaOH溶液，浴比為1∶30，水浴溫度為25℃，恒溫處理竹纖維1 h；清水浸洗竹纖維至中性，然后在自然環境下晾制24 h，以制作竹纖維/PP質量比為60/40的復合材料.

1.3 竹纖維/PP復合材料制作

竹纖維和聚丙烯纖維分別開松后，經混合、開松、梳理、針刺、疊層制成預成型件；在80℃時干燥預成型件1 h，去除其水分，避免造成材料缺陷；液壓機升溫至80℃，壓力0 MPa，預成型件預熱4 min，以保證模具和預成型件受熱均勻；溫度升至190℃，壓力15 MPa時，預成型件熱壓20 min；自然冷卻，降溫至80℃以下，即制成竹纖維/PP復合材料.本實驗分別制備了普通結構、層間混雜結構以及普通結構堿處理竹纖維/ PP復合材料，竹纖維質量分數均為60%.普通結構預成型件由竹纖維質量分數為60%的纖維氈鋪疊而成；層間混雜結構，分別設計為“50/50+80/20+50/50”結構和“50/50+70/30”結構.其中，“50/50+80/20+50/50”結構預成型件由竹纖維/PP質量比為50/50、80/20和50/ 50的纖維氈按質量1∶1∶1相間鋪疊而成，如圖1（a）所示；“50/50+70/30”結構預成型件由竹纖維/PP質量比為50/50和70/30的纖維氈按質量1∶1相間鋪疊而成，如圖1（b）所示.

圖1 竹纖維/PP預成型件結構設計Fig.1 Structure design of bamboo/PP perform

1.4 吸濕性能測試

竹纖維/PP的吸濕性能測試指標包括平衡吸濕量和表觀水擴散系數.其中：平衡吸濕量是指在濕熱環境中，復合材料質量達到恒定時，水分質量占吸濕前復合材料質量的百分比；水分的表觀擴散系數是描述水分向竹纖維/PP內部一維擴散狀態的材料常數，一般測試、計算材料吸濕初期的水分擴散系數.實驗參照《ASTM D5229/D5229M-12聚合物基質復合材料吸濕性和平衡調節的試驗方法》，試樣尺寸為50 mm×50 mm×2 mm，每組試樣5個，測試時間為2、4、6、8、24、48、96 h.參考海南汽車試驗研究所暴露試驗場的溫濕度，環境溫度為40℃，濕度為93%.

2 結果與討論

2.1 竹纖維/PP吸濕規律研究

普通結構竹纖維/PP復合材料的吸濕量-時間曲線如圖2所示.

由圖2可知，竹纖維/PP吸濕量-時間曲線符合Fick吸濕定律.當吸濕量較低時，竹纖維/PP吸濕速率較快，其吸濕量-時間曲線近乎直線，隨著濕熱老化時間的延長，吸濕速率逐漸減緩，最后接近零，即相對飽和狀態.根據經典Fick模型，通過擬合吸濕量-時間曲線，可確定竹纖維/PP飽和吸濕量和表觀水擴散系數.在開始階段，復合材料的吸濕規律可表達為[10]：

圖2 竹纖維/PP的水吸收曲線Fig.2 Curve of moisture mass fraction of bamboo/PP composite

表觀水擴散系數可表示為[11-12]：

式中：M∞為試樣相對平衡吸濕量（%）；h為試樣厚度（mm）；Mt1、Mt2分別為t1和t2時刻試樣的吸濕量（%）.

實驗表明，在環境溫度40℃、濕度93%、濕熱老化24 h時，竹纖維/PP吸濕量基本達到平衡，其飽和吸濕量為4.95%.在吸濕開始階段，當吸濕量低于4%時，其表觀水分擴散系數為6.36×10-7cm2/s.

2.2 結構對竹纖維/PP吸濕性能的影響

層間混雜結構竹纖維/PP具有相似吸濕規律，如圖3所示.

圖3 結構對竹纖維/PP吸濕性能的影響Fig.3 Effect of structure on moisure absorption property of bamboo/PP composite

由圖3可知，濕熱老化24 h時，其吸濕量基本達到平衡.在吸濕開始階段，當相對吸濕量低于4%時，“50/50+70/30”結構飽和吸濕量和表觀水分擴散系數分別為4.45%和4.44×10-7cm2/s，“50/50+80/20+50/50”結構飽和吸濕量和表觀水擴散系數為5.71%和5.71× 10-7cm2/s.對比可知，“50/50+70/30”結構降低了竹纖維/PP復合材料的吸濕性能.這是由于層間混雜結構有利于竹纖維和聚丙烯纖維均勻混合、分布，改善了樹脂基體對竹纖維表面的浸潤與包覆效果，提高了竹纖維/PP界面結合性能，既延緩了水分子通過竹纖維/ PP界面向復合材料內部擴散，也減緩了水分子對界面的侵蝕和破壞.

2.3 堿處理對竹纖維/PP吸濕性能的影響

堿處理對竹纖維/PP復合材料吸濕性能的影響如圖4所示.

圖4 堿處理對竹纖維/PP吸濕性能的影響Fig.4 Effect of alkali treatment on moisure absorption property of bamboo/PP composite

由圖4可知，在環境溫度40℃、濕度93%，濕熱老化48 h時，不同質量分數堿處理竹纖維/PP復合材料吸濕量基本達到平衡.相比處理前，堿處理竹纖維/PP初始吸濕量均有不同程度的降低，飽和吸濕量則有所提高.表1所示為堿處理前后竹纖維的表面性能.

表1 堿處理對竹纖維表面性能的影響Tab.1 Effect of alkali treatment on surface property of bamboo fiber

由表1可以看出，堿處理改變了竹纖維的表面結構、成分，提高了其表面能極性分量和極性比，增強了竹纖維的表面親水性，從而增大了復合材料的飽和吸濕量.同時，堿處理提高了竹纖維的表面能，根據Zisman臨界表面自由能理論，固體表面能大于或等于流體表面能，二者界面才能穩定相互融合，其表面能差值越大，越易于形成良好的界面融合[13].堿處理竹纖維表面能均有提高，有利于聚丙烯樹脂在竹纖維表面鋪展、浸潤，改善界面性能.因此，在吸濕初始階段，復合材料的吸濕量和表觀水擴散系數均較處理前降低；當吸濕量低于5%時，計算3%、5%和7%NaOH處理竹纖維/PP的表觀水擴散系數分別為2.41×10-7、3.75×10-7和1.68×10-7cm2/s，較處理前大大降低.

3 結論

（1）竹纖維/PP復合材料吸濕規律符合Fick吸濕定律，其飽和吸濕量為4.95%，表觀水分擴散系數為6.36×10-7cm2/s.

（2）“50/50+70/30”結構改善了竹纖維/PP界面粘合性能，阻緩了水分子通過界面向復合材料內部擴散，降低了復合材料的吸濕性能.

（3）堿處理提高了竹纖維表面極性和表面能，增大了竹纖維/PP飽和吸濕量；同時，改善了竹纖維/PP界面結合效果，降低了其表觀水擴散系數.

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