偶聯(lián)劑處理對(duì)黃麻纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響

楊志胡 張鎮(zhèn)杰

（1 廣東省建筑材料研究院有限公司；2 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院）

0 前言

麻類纖維主要由麻類植物中提取而得，自然界中的麻類植物分布比較廣泛，主要集中在熱帶到亞熱帶地區(qū)，我國(guó)種植的麻類植物主要有劍麻、苧麻、亞麻、黃麻、大麻、紅麻、羅布麻等。黃麻纖維是價(jià)格最低廉的纖維之一，主要由黃麻中提取得到，在我國(guó)種植面積廣，產(chǎn)量大僅次于棉花，屬于可再生資源。

黃麻纖維不僅價(jià)格低廉、來源廣、具有易染色性、人體親和舒適性佳、可降噪、緩沖強(qiáng)且密度低、對(duì)環(huán)境友好可進(jìn)行生物降解等優(yōu)異特性。它與其他麻類纖維一樣，等同屬于韌皮纖維素纖維，被稱為“黃金纖維”[1]。韌皮纖維由于其存在手感粗硬、纖維剛性較強(qiáng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致其可紡性差，目前使用最多的依然是一些粗加工產(chǎn)品，如麻袋麻繩、土布袋、工業(yè)紙漿[2]等。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，黃麻纖維不斷被開發(fā)應(yīng)用到家紡、服用、包裝、工業(yè)用等領(lǐng)域[3]。其往往在加工利用時(shí)，與其他材料進(jìn)行各種改性處理，能夠制得不同功能的黃麻纖維[4]。經(jīng)過改性的黃麻纖維也可以用來制備各種復(fù)合材料，可應(yīng)用于各個(gè)高端技術(shù)領(lǐng)域[3]。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料、儀器

原材料、儀器見表1、表2。

表1 實(shí)驗(yàn)原料

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 樣品制備過程

在室溫下，用無水乙醇作溶劑配置系列濃度梯度為0%～4%、間隔為1%的硅烷偶聯(lián)劑備用；黃麻纖維用10%氫氧化鈉進(jìn)行堿處理，每次添加2g。

實(shí)驗(yàn)分為兩部分，第一部分，首先假設(shè)硅烷偶聯(lián)劑濃度為2%，改變浸泡時(shí)間分別為1h、2.5h、4h，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出最佳浸泡時(shí)間；第二部分，根據(jù)所得出的最佳浸泡時(shí)間，改變硅烷偶聯(lián)劑濃度，梯度為0%～4%。

浸泡過程中每隔10min 用玻璃棒進(jìn)行攪拌，使得黃麻纖維呈分散狀。待浸泡時(shí)間到后，將黃麻纖維撈出用蒸餾水洗滌至中性，然后用玻璃棒擠壓后攤開分散放置于容器中，移入鼓風(fēng)干燥箱干燥24h 備用。通過下列性能測(cè)試挑選出最優(yōu)的偶聯(lián)劑處理方案。

1.2.2 測(cè)試過程

⑴熱重（TG）分析

測(cè)試方法：采用TGA-50 熱失重分析儀，分別對(duì)改變硅烷偶聯(lián)劑浸泡處理時(shí)間前后，以及改變硅烷偶聯(lián)劑濃度浸泡處理前后的黃麻纖維進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析。

本次黃麻纖維的熱重分析主要依據(jù)GB/T 31984-2015 以及TGA-50 熱重分析操作流程進(jìn)行檢測(cè)，將熱重分析儀TGA-50 設(shè)定氣氛為氮?dú)猓M(jìn)氣速率為30mL/min，升溫速率為10℃/min，選用坩堝材質(zhì)為鋁坩堝，升溫范圍為20～500℃。

⑵SEM 分析

挑選纖維表面較光滑、粗細(xì)程度均勻的試樣表面噴金，用Hitachi S-530 型掃描電鏡觀察表形。因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)產(chǎn)品為經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理前后的黃麻纖維是絕緣體，在電鏡觀察時(shí)表面會(huì)積累電荷，使得畫面異常，所以要先在所裁樣品的表面上鍍金屬膜，然后盡可能低頻進(jìn)行掃描觀察[5]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 浸泡時(shí)間對(duì)熱失重的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同浸泡時(shí)間熱重分析

從圖1 中可知，用2%含量的硅烷偶聯(lián)劑浸泡2.5h的黃麻纖維熱失重最少，浸泡2.5h 的曲線比浸泡1h 的穩(wěn)定，且效果優(yōu)于浸泡1h 的；而且與浸泡4h 的相比，提高了耐熱性能，同時(shí)可以節(jié)省時(shí)間成本，故硅烷偶聯(lián)劑處理時(shí)間選用浸泡2.5h 作為堿處理后的黃麻最佳浸泡時(shí)間。

2.2 偶聯(lián)劑濃度對(duì)熱失重的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同偶聯(lián)劑濃度熱重分析

偶聯(lián)劑恰當(dāng)?shù)挠昧繉?duì)于處理纖維能夠增加纖維與樹脂的相容性，在力學(xué)性能和加工流動(dòng)性都更加優(yōu)異，改善復(fù)合材料的強(qiáng)度和流動(dòng)性方面更顯著。

根據(jù)圖2 可以看出，經(jīng)過偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維和未處理過的黃麻纖維熱降解行為相類似，由此都可以分為三個(gè)區(qū)間：初期、一次分解區(qū)、二次分解區(qū)。其三個(gè)區(qū)間大致都為初期30～230℃、分解區(qū)230～380℃、二次分解區(qū)380～500℃。

通過圖2 的曲線對(duì)比可知，經(jīng)過偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維，其一次分解和二次分解的溫度明顯比未處理過的溫度要高；另外通過曲線中的剩余量對(duì)比可得，摻量為1%～4%的硅烷偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維，其熱穩(wěn)定性先上升，在2%摻量時(shí)達(dá)到最佳，隨后開始下降，4%摻量時(shí)最差。

經(jīng)過2%硅烷偶聯(lián)劑處理的黃麻纖維，更能表現(xiàn)出它的作用以及經(jīng)濟(jì)效益，更為適合黃麻纖維的改性，用濃度為2%的硅烷偶聯(lián)劑浸泡2.5h 處理是作為堿處理后的黃麻的最佳處理項(xiàng)，可以節(jié)省偶聯(lián)劑用量的同時(shí)，也不會(huì)使氫氧化鈉與偶聯(lián)劑發(fā)生多余副反應(yīng)。

2.3 SEM 微觀形態(tài)分析

針對(duì)未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的黃麻纖維以及用濃度為2%的硅烷偶聯(lián)劑浸泡2.5h 處理過的黃麻纖維進(jìn)行SEM 觀察其微觀形貌，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 處理前后纖維SEM 掃描圖

圖3 中：①～③分別為未經(jīng)偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維1μm、2μm、10μm 的放大倍數(shù)SEM 圖，由圖可看出黃麻纖維表面呈凹凸不平狀，且纖維內(nèi)有較為明顯的裂痕，部分基團(tuán)聚集緊密；④～⑥分別為經(jīng)偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維1μm、2μm、10μm 的放大倍數(shù)SEM 圖，由圖可看出，經(jīng)過處理偶聯(lián)劑過的黃麻纖維結(jié)構(gòu)松散，表面粗糙，纖維直徑變粗，且有細(xì)粒附著物。

由圖3①和圖3④對(duì)比明顯看到，未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的黃麻纖維基團(tuán)空隙較小，影響到了纖維力學(xué)性能的延伸；由圖②和圖⑤以及圖③和圖⑥對(duì)比分析得出，經(jīng)偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維基團(tuán)間間隙明顯變大，且呈蓬松狀結(jié)構(gòu)。

綜上分析，經(jīng)過偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維基團(tuán)間隙得到了明顯擴(kuò)大，蓬松的結(jié)構(gòu)使纖維與聚合物樹脂之間的接觸面積擴(kuò)大，基團(tuán)在偶聯(lián)劑的作用下使纖維表面的OH-減少，降低了纖維的極性，提高了其親油性能，導(dǎo)致有效抓取基團(tuán)的能力得到提升，從而提高了黃麻纖維與樹脂的相容性[6]。

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)不同的浸泡時(shí)間，以及不同的硅烷偶聯(lián)劑的濃度，對(duì)黃麻纖維進(jìn)行偶聯(lián)劑處理，得出以下結(jié)論：

⑴通過SEM 微觀形態(tài)分析，證明偶聯(lián)劑處理有著明顯的效果：經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理過的黃麻纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅間隙得到明顯增大，增強(qiáng)與其共混的聚合物樹脂之間的接觸面積，且使得纖維由親水轉(zhuǎn)為親油性，從而提高其與聚合物樹脂的相容性和共混效果。

⑵綜合熱重分析、SEM 微觀形態(tài)分析等各項(xiàng)測(cè)試得出，選用2%的硅烷偶聯(lián)劑浸泡黃麻纖維2.5h，是其偶聯(lián)劑處理的最佳條件。