堿處理對洋麻纖維結構與性能影響研究

文/王靈雪 費建武 任子龍

1 引言

在眾多麻纖維中，洋麻纖維以其優(yōu)良的力學性能、較低的價格、巨大的生物產(chǎn)量（為樹木的3～5倍）、極強的CO2吸收能力（為森林的4～5倍）以及種植土壤要求低等特點脫穎而出，被視為21世紀未來派優(yōu)勢作物[1,2]。洋麻纖維及其產(chǎn)品研究與開發(fā)對可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

洋麻纖維優(yōu)良的力學性能使其在復合材料領域具有強大的潛力，然而，洋麻表面的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等含有大量羥基，纖維素大分子鏈之間及其內(nèi)部強烈的氫鍵作用，使洋麻纖維表現(xiàn)出較強的極性和親水性，從而導致呈親水性的洋麻纖維與疏水性樹脂基體間的相容性較差。因此，在制備洋麻纖維增強樹脂基復合材料前需要對纖維進行適當?shù)奶幚恚愿纳苾烧呓缑骈g的粘結性，達到提升復合材料力學性能的目的[3,4]。

堿處理是纖維表面改性最有效的方法之一，國內(nèi)外許多學者都研究了通過堿處理來提高天然纖維及其增強復合材料的機械性能[5]。Ming Cai et al[6]等人研究表明馬尼拉麻經(jīng)過5 wt.% NaOH處理2 h后，纖維的結晶度、拉伸強度和模量都有不同程度的提高，同時馬尼拉麻增強環(huán)氧樹脂復合材料的界面剪切強度也得到改善。Gomes et al[7]等人研究表明麻纖維經(jīng)過10 wt.%的堿處理后，表面粗糙度和拉伸強度都有較明顯的改善。Saha et al8]等人研究表明黃麻纖維經(jīng)過0.5wt.%的堿處理后，拉伸強度提高了65%。王春紅[9]等人研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1wt.%的堿處理后，竹原纖維的表面能降低了63.64%，竹原纖維與聚丙烯之間的粘附功提高了67.18%。

本研究旨在通過采用不同濃度的堿處理洋麻纖維，研究堿處理對洋麻纖維的直徑、拉伸強度、表面摩擦、FTIR以及表面微觀結構等性能的影響，為提高洋麻纖維增強復合材料的界面結合性能提供基礎研究。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

洋麻纖維：由馬來西亞木材工業(yè)局（TIBM）提供，已經(jīng)過初步的漚麻處理；氫氧化鈉：天津市風船化學試劑科技有限公司。

2.2 試驗設備

Instron萬能強力機：3369型（美國英斯特朗公司）；掃描電子電鏡（SEM）：TM-1000型（日本日立公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）：Nicolet5700型（美國熱電公司）；纖維摩擦儀：Y151型（常州第二紡織機械廠）；生物圖像電腦分析系統(tǒng)：WV-CP4601CH型（北京泰克儀器有限公司）；電熱鼓風干燥箱：DHG-9070A型（上海一恒科學儀器有限公司）；水浴鍋：HHZK8型（鞏義市予華儀器有限責任公司）；電子天平：MS105DU型（北京中儀公司）。

2.3 洋麻纖維堿處理

洋麻纖維與氫氧化鈉溶液的質(zhì)量比為1:20，氫氧化鈉液濃度分別為1wt.%、2 wt.%、3 wt.%。在100℃的水浴鍋中煮40min，每隔10min攪拌一次。然后用溫水洗滌至中性，最后在80℃的烘箱中烘干待用。

2.4 洋麻纖維性能測試

2.4.1 洋麻纖維直徑

洋麻纖維直徑測試參照標準SN/T 2672—2010《紡織原料細度試驗方法（直徑）顯微鏡投影儀法》，每種纖維測試30根，每根纖維測試5個點求得平均值。

2.4.2 洋麻纖維強度

洋麻纖維的拉伸強度參考標準ASTM D1294-05《1英寸（25.4毫米）規(guī)準長度羊毛纖維束的拉伸強度和斷裂強度的標準試驗方法》。測試樣品數(shù)量為20個，拉伸隔距為25.4mm，控制在拉伸隔距內(nèi)的纖維重量為15mg～25mg，拉伸速度250mm/min。

2.4.3 洋麻纖維傅里葉紅外光譜掃描

采用傅里葉紅外光譜分析儀對洋麻纖維表面的基團進行測試，測試用探測器為DLATG，Diamond ATR附件，波數(shù)范圍選擇為4000cm-1至400cm-1，單個光譜掃描次數(shù)128次。

2.4.4 洋麻纖維摩擦系數(shù)

采用摩擦系數(shù)測試儀對洋麻纖維的摩擦系數(shù)進行測試，摩擦輥轉速采用30 r.p.m，選用500mg纖維夾。每種纖維測試20根，測試結果取平均值，測試樣品如圖1所示。

圖1 摩擦系數(shù)測試樣品

2.4.5 洋麻纖維表面微觀形貌

使用離子濺射儀對洋麻纖維進行噴金制樣，然后使用掃描電子顯微鏡對洋麻纖維的表面形貌進行觀察。

3 結果與討論

3.1 堿處理對洋麻纖維直徑的影響

不同堿濃度處理后的洋麻長纖維直徑測試結果見圖2。

圖2 堿處理對洋麻纖維直徑的影響

由圖2可知，隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的直徑呈先降低后增加的趨勢，當堿濃度為1wt.%時，洋麻纖維的直徑最小，為67.73μm，比未處理的降低了17.11%。

經(jīng)過適當濃度的堿處理后，洋麻纖維表面的果膠、脂蠟質(zhì)被逐漸去除，所以纖維的直徑逐漸降低。但是當堿處理濃度增加到一定的程度后，NaOH逐漸進入洋麻纖維的內(nèi)部，和非結晶區(qū)的接觸增大，破壞了纖維素間的氫鍵，使洋麻纖維逐漸膨脹，纖維直徑也隨之又逐漸增加。

3.2 堿處理對洋麻纖維拉伸強度的影響

不同堿濃度處理后的洋麻纖維拉伸強度結果見圖3。

圖3 堿處理濃度對洋麻纖維拉伸強度的影響

由圖3可知，隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的拉伸強度呈先增加后降低的趨勢。當堿濃度為1wt.%時，洋麻纖維的拉伸強度達到最大，為397.75MPa，比未處理的提高了11.87%。

經(jīng)1wt.%堿處理后，洋麻纖維的纖維素分子網(wǎng)絡之間的氫鍵遭到破壞，增加了無定形纖維素的含量，使天然的單斜晶系纖維素轉變?yōu)闊崃W穩(wěn)定性更高的纖維素。當堿處理濃度超過2wt.%后，過多的堿會過度脫除果膠和木質(zhì)素等，而果膠等物質(zhì)起到了粘結纖維素的作用，果膠等物質(zhì)過度去除使纖維素間的抱合力減少，在拉伸過程中纖維素大分子鏈之間容易滑脫，造成洋麻纖維拉伸強度下降。

3.3 堿處理對洋麻纖維摩擦系數(shù)的影響

不同堿濃度處理后的洋麻纖維摩擦系數(shù)結果見圖4。

圖4 堿處理濃度對洋麻纖維摩擦系數(shù)的影響

由圖4可知，隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的摩擦系數(shù)不斷增加。當堿處理濃度為3wt.%時，洋麻纖維的摩擦系數(shù)為0.1079。

堿處理可以溶去洋麻纖維表面的半纖維素和木質(zhì)素及其他雜質(zhì)，使纖維產(chǎn)生粗糙的表面形態(tài)，同時由于堿與羥基反應，如公式（1）所示，破壞了部分纖維素分子鏈間的氫鍵，降低了纖維密度，纖維變得松散，這些都使得纖維的摩擦系數(shù)增大，從而提高了纖維的摩擦性能，能夠增大纖維與基體浸潤的有效接觸面積，從而有利于增強界面的粘合，提高復合材料的力學性能[10]。

3.4 堿處理洋麻纖維紅外光譜分析

堿處理前后洋麻纖維的紅外光譜圖見圖5。

圖5 不同堿處理濃度下洋麻纖維的紅外光譜圖

從圖中可以看出，堿處理后，2935.65cm-1～2855.91cm-1附近的峰有所變化，這部分峰是纖維素中的甲基（—CH3）和亞甲基（—CH2）對稱與不對稱伸縮振動，未處理的峰較為平緩，處理后的峰較為明顯，其中1wt.%堿處理的最為明顯，這說明堿處理后纖維素、半纖維素含量相對增加，反過來說明纖維中的其他物質(zhì)如果膠、木質(zhì)素、蠟質(zhì)以及雜質(zhì)等有所減少；1729.88cm-1附近的峰有所變化，這部分峰是半纖維素中的C=O伸縮振動，未處理的峰較為陡峭，處理后則消失，這說明堿處理后半纖維素含量基本沒有，也就是說堿處理可以較大程度地去除半纖維素；堿處理后，位于1237.94cm-1的峰有很大變化，這部分峰是木質(zhì)素中的C=O伸縮振動，堿處理后峰幾乎消失，說明堿處理能有效去除木質(zhì)素。綜上所述，洋麻纖維經(jīng)過堿處理后，半纖維素、木質(zhì)素、果膠等雜質(zhì)得到有效去除，纖維素比例增大，使纖維表面極性分量減少，纖維與樹脂的浸潤性好，同時纖維柔軟度和彈性增加[11-14]。

3.5 堿處理對洋麻纖維表面微觀形貌的影響

不同堿處理濃度下的洋麻纖維的SEM圖片見圖6。

圖6 不同堿處理濃度處理洋麻纖維的SEM照片

從（a）中可以看出，未處理的洋麻纖維表面有較多的雜質(zhì)，洋麻纖維表面的果膠呈片狀分布，果膠量較多，各單纖維之間因為果膠成分較多結合得非常緊密，表面相對光滑；（b）是1wt.%堿處理后的洋麻纖維，可以看到纖維表面雜質(zhì)明顯減少，工藝纖維中的單纖維分離劈裂，纖維表面出現(xiàn)明顯的溝槽，孔洞增加，纖維刻蝕較為明顯，纖維表面粗糙度增加，堿處理后洋麻纖維表面的果膠呈點狀分布，果膠量明顯減少，且隨著堿處理濃度的增加，以上現(xiàn)象越來越明顯，2wt.%、3wt.%堿處理濃度的洋麻纖維刻蝕非常顯著，如（c）和（d）所示。堿處理后由于果膠成分的減少使得各單纖維之間的結合已變得較為松散，從而使其易于和環(huán)氧樹脂之間產(chǎn)生機械鎖結。果膠和半纖維素的去除是使工藝纖維分離和表面粗糙度增加的主要原因。工藝纖維分離和纖維粗糙度增加使得纖維間接觸面積和滑動阻力增大，纖維表面雜質(zhì)的去除使得纖維間抱合更加緊密，利于復合材料強度的提高[15]。

4 結論

（1）隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的直徑呈先降低后增加的趨勢，而拉伸強度呈先增加后降低的趨勢，當堿濃度為1wt.%時，直徑最小，為67.73μm，比未處理的降低了17.11%；拉伸強度最大，為397.75MPa，比未處理的提高了11.87%。

（2）隨著堿處理濃度的增加，洋麻纖維的摩擦系數(shù)不斷增加。

（3）通過傅里葉紅外光譜和SEM可以看到，堿處理后，洋麻纖維表面的果膠、木質(zhì)素等非纖維素成分明顯減少，工藝纖維中的單纖維分離劈裂，纖維表面出現(xiàn)明顯的溝槽，孔洞增加，纖維刻蝕較為明顯，纖維表面粗糙度增加。