堿處理大麻纖維／不飽和聚酯樹脂復合材料的性能
0引言
大麻系?？疲∕araceae），屬一年生草本植物。我國是大麻纖維的主產國，遍布，其中以北方為多。近年來大麻產量己占大麻產量的1/3左右，居位。大麻纖維細度細、強度高、單纖斷裂強度雖然低于苧麻，但優于亞麻。另一方面，我國是不飽和聚酯(UP)樹脂生產和消費大國，2006年，我國UP樹脂的產量達到115萬噸，全年市場消費總量達到122萬噸。利用大麻纖維增強UP樹脂，不僅原料來源十分豐富，而且可進一步促進UP樹脂及大麻纖維的市場應用，同時，在某些場合替代FRP制品，減少環境污染，減少玻璃纖維生產過程中的能源消耗。但和其它天然纖維/聚合物復合材料相似，大麻纖維與UP樹脂復合時，由于界面結合的原因往往使得復合材料的力學性能較差，因而，選用適當的方法改善大麻纖維與UP樹脂基體間的結合對于開發此類復合材料產品意義重大，對麻纖維進行堿處理是改善麻塑復合材料性能的一種重要方法。作者曾利用NaOH溶液處理苧麻布，研究了堿處理對苧麻布／UP樹脂復合材料力學性能及斷面形貌的影響Isl，發現適當的堿處理后復合材料的沖擊斷面上纖維與樹脂間的結合更牢，樣品斷裂時，更多纖維發生扯斷現象，而非象未處理復合材料那樣發生纖維拔出，堿處理可有效改善復合材料中樹脂基體與苧麻布之間的界面結合。
為此，本文選用不同濃度的NaOH溶液浸泡大麻纖維，研究了堿濃度及浸泡時間對復合材料性能的影響。
1實驗部分
1.1原料
UP樹脂，鄰苯型，南京費隆復合材料有限公司；環烷酸鈷，常州前進化工廠；MEKP，浙江黃巖焦坑化工廠：大麻原麻纖維，南京金海苧麻紡織公司；氫氧化鈉，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；氨水，蘇州晶瑞化學有限公司。
1．2實驗設備
電子萬能實驗機，CMT4204，深圳新三思材料檢測有限公司；沖擊強度實驗機，XJJ-5,承德試驗機有限公司；電子天平，S124S，塞多利斯公司。
1.3試樣制備
將大麻原麻去除雜物，用鋼刷將大麻原麻細化成大麻纖維，然后用裁紙刀將纖維切成7mm長的短切纖維，在105℃溫度下烘至恒重。冷卻至室溫后，取出，放入預先配好質量濃度分別為10％、20％和30％的NaOH溶液和氨水溶液中進行常溫浸泡，至指定時間后取出，用自來水反復沖洗，并用pH試紙檢測淋洗液的pH值，當接近中性時，改用蒸餾水沖洗，直至淋洗液呈中性為止。然后將堿處理前后的大麻纖維放入60℃的烘箱中，恒溫6h以上，直至所有大麻纖維恒重。將干燥的大麻纖維冷卻至室溫，備用。根據大麻纖維的質量，按照20:100的比例稱取UP樹脂，與大麻纖維機械混合后，加入樹脂質量1％的萘酸鈷作為促進劑，機械攪拌均勻后，再按照樹脂質量的1%加入過氧化甲乙酮（MEKP)作為催化劑，再次機械攪拌均勻。然后將混合料加入模具中，合模后，先施加10MPa的壓力模壓lmin,然后用392N的壓力模壓成型24h，脫模，并在70℃條件下后處理4h。冷卻至室溫后制樣。
1. 4性能測試
拉伸性能按GB1447-1983測定，拉伸速率l0mm/min：彎曲性能按GB1449-83測定，彎曲速率5m m/min；沖擊強度按GB1451-2005測定，擺錘能量2J。每種力學性能各取5根試樣進行試驗，取平均值為實驗結果。
2實驗結果與討論
2.1 NaOH浸泡對復合材料力學性能的影響
纖維撕裂，也可能是由于堿處理的纖維束表面脫去了部分果膠而留下單纖維間界面，從而增加了基體與纖維的物理結合強度。圖1(f)沖擊強度的實驗結果表明，利用強堿濃溶液處理大麻適當的NaOH處理可提高復合材料的拉伸強度，但NaOH溶液的濃度不同，其預處理時間對復合材料拉伸強度的影響也彼此不一樣（見圖la），其中，30wt%NaOH溶液處理6h可使復合材料具有佳的拉伸強度，其值比未處理復合材料高80.04%;堿處理對彎曲強度的影響情況與拉伸強度有所不同，與對苧麻布/UP復合材料彎曲強度的影響也不一樣。王俊勃等人研究發現，室溫堿處理可使苧麻精干麻／酚醛樹脂復合材料的彎曲強度降低，而使蘭麻原麻／酚醛樹脂復合材料的彎曲強度升高。苧麻布/UP復合材料彎曲強度受室溫堿處理的影響與苧麻精干麻／酚醛樹脂復合材料相似，而總體上，適當的室溫堿處理卻可提高大麻纖維/UP樹脂復合材料的彎曲強度，其中，lOwt%NaOH溶液處理6h與30wt%NaOH溶液處理2h效果好，且彼此相當，但對彎曲強度的改善幅度分別僅為3.7%和4.76%，明顯小于堿處理對拉伸強度的大改善幅度。堿處理可以改善彎曲強度，可能是由于彎曲斷裂時，纖維與基體膠粘時界面粘合牢固而將纖維將降低復合材料的抗沖擊性能。
NaOH處理對復合材料模量的影響較對強度的影響略有規律。從圖1(c)和圖1(d)可以看出，不同濃度的NaOH溶液處理大麻纖維4h后所得復合材料的拉伸模量均在同組中高，且均超過未處理復合材料的拉伸模量值，而處理6h所得的彎曲模量高，但雖則如此，其值仍然低于未處理復合材料的彎曲模量，說明NaOH處理不利于復合材料彎曲模量的改善。裂伸長率，原因可能是由于熱固性樹脂基復合材料剛性大，斷裂過程中不易變形的結果。
3結論
1) NaOH溶液的濃度及其處理大麻纖維的時間對大麻纖維/UP樹脂復合材料的力學性能存在明顯的影響。其中，30%NaOH溶液處理6h可使復合材料的拉伸強度得到大幅度的提高：lOwt%NaOH溶液處理6h與30wt%NaOH溶液處理2h對復合材料彎曲強度的改善效果好，且彼此相當，但幅度明顯小于堿處理對拉伸強度的大改善幅度：不同濃度的NaOH溶液處理大麻纖維4h后所得復合材料的拉伸模量均在同組中高，且均超過未處理復合材料的拉伸模量值，而處理6h所得的彎曲模量高，但其值仍然低于未處理復合材料的彎曲模量；不同濃度NaOH溶液處理復合材料的拉伸斷裂伸長率隨著堿處理時間的延長均先逐漸下降而后不斷升高，且所有復合材料的伸長率均在0.5%以內；NaOH溶液處理大麻纖維將降低復合材料的抗沖擊性能。
2)氨水處理大麻纖維將提高復合材料的拉伸模量，但對其它的力學性能均存在不利的影響，但影響不明顯。
3)室溫堿處理對大麻纖維/UP樹脂復合材料力學性能的影響與對苧麻布/UP樹脂復合材料力學性能的影響趨勢不盡相同，甚至相反。
大麻系?？疲∕araceae），屬一年生草本植物。我國是大麻纖維的主產國，遍布，其中以北方為多。近年來大麻產量己占大麻產量的1/3左右，居位。大麻纖維細度細、強度高、單纖斷裂強度雖然低于苧麻，但優于亞麻。另一方面，我國是不飽和聚酯(UP)樹脂生產和消費大國，2006年，我國UP樹脂的產量達到115萬噸，全年市場消費總量達到122萬噸。利用大麻纖維增強UP樹脂，不僅原料來源十分豐富，而且可進一步促進UP樹脂及大麻纖維的市場應用，同時，在某些場合替代FRP制品，減少環境污染，減少玻璃纖維生產過程中的能源消耗。但和其它天然纖維/聚合物復合材料相似，大麻纖維與UP樹脂復合時，由于界面結合的原因往往使得復合材料的力學性能較差，因而，選用適當的方法改善大麻纖維與UP樹脂基體間的結合對于開發此類復合材料產品意義重大，對麻纖維進行堿處理是改善麻塑復合材料性能的一種重要方法。作者曾利用NaOH溶液處理苧麻布，研究了堿處理對苧麻布／UP樹脂復合材料力學性能及斷面形貌的影響Isl，發現適當的堿處理后復合材料的沖擊斷面上纖維與樹脂間的結合更牢，樣品斷裂時，更多纖維發生扯斷現象，而非象未處理復合材料那樣發生纖維拔出，堿處理可有效改善復合材料中樹脂基體與苧麻布之間的界面結合。
為此，本文選用不同濃度的NaOH溶液浸泡大麻纖維，研究了堿濃度及浸泡時間對復合材料性能的影響。
1實驗部分
1.1原料
UP樹脂，鄰苯型，南京費隆復合材料有限公司；環烷酸鈷，常州前進化工廠；MEKP，浙江黃巖焦坑化工廠：大麻原麻纖維，南京金海苧麻紡織公司；氫氧化鈉，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；氨水，蘇州晶瑞化學有限公司。
1．2實驗設備
電子萬能實驗機，CMT4204，深圳新三思材料檢測有限公司；沖擊強度實驗機，XJJ-5,承德試驗機有限公司；電子天平，S124S，塞多利斯公司。
1.3試樣制備
將大麻原麻去除雜物，用鋼刷將大麻原麻細化成大麻纖維，然后用裁紙刀將纖維切成7mm長的短切纖維，在105℃溫度下烘至恒重。冷卻至室溫后，取出，放入預先配好質量濃度分別為10％、20％和30％的NaOH溶液和氨水溶液中進行常溫浸泡，至指定時間后取出，用自來水反復沖洗，并用pH試紙檢測淋洗液的pH值，當接近中性時，改用蒸餾水沖洗，直至淋洗液呈中性為止。然后將堿處理前后的大麻纖維放入60℃的烘箱中，恒溫6h以上，直至所有大麻纖維恒重。將干燥的大麻纖維冷卻至室溫，備用。根據大麻纖維的質量，按照20:100的比例稱取UP樹脂，與大麻纖維機械混合后，加入樹脂質量1％的萘酸鈷作為促進劑，機械攪拌均勻后，再按照樹脂質量的1%加入過氧化甲乙酮（MEKP)作為催化劑，再次機械攪拌均勻。然后將混合料加入模具中，合模后，先施加10MPa的壓力模壓lmin,然后用392N的壓力模壓成型24h，脫模，并在70℃條件下后處理4h。冷卻至室溫后制樣。
1. 4性能測試
拉伸性能按GB1447-1983測定，拉伸速率l0mm/min：彎曲性能按GB1449-83測定，彎曲速率5m m/min；沖擊強度按GB1451-2005測定，擺錘能量2J。每種力學性能各取5根試樣進行試驗，取平均值為實驗結果。
2實驗結果與討論
2.1 NaOH浸泡對復合材料力學性能的影響
纖維撕裂，也可能是由于堿處理的纖維束表面脫去了部分果膠而留下單纖維間界面，從而增加了基體與纖維的物理結合強度。圖1(f)沖擊強度的實驗結果表明，利用強堿濃溶液處理大麻適當的NaOH處理可提高復合材料的拉伸強度，但NaOH溶液的濃度不同，其預處理時間對復合材料拉伸強度的影響也彼此不一樣（見圖la），其中，30wt%NaOH溶液處理6h可使復合材料具有佳的拉伸強度，其值比未處理復合材料高80.04%;堿處理對彎曲強度的影響情況與拉伸強度有所不同，與對苧麻布/UP復合材料彎曲強度的影響也不一樣。王俊勃等人研究發現，室溫堿處理可使苧麻精干麻／酚醛樹脂復合材料的彎曲強度降低，而使蘭麻原麻／酚醛樹脂復合材料的彎曲強度升高。苧麻布/UP復合材料彎曲強度受室溫堿處理的影響與苧麻精干麻／酚醛樹脂復合材料相似，而總體上，適當的室溫堿處理卻可提高大麻纖維/UP樹脂復合材料的彎曲強度，其中，lOwt%NaOH溶液處理6h與30wt%NaOH溶液處理2h效果好，且彼此相當，但對彎曲強度的改善幅度分別僅為3.7%和4.76%，明顯小于堿處理對拉伸強度的大改善幅度。堿處理可以改善彎曲強度，可能是由于彎曲斷裂時，纖維與基體膠粘時界面粘合牢固而將纖維將降低復合材料的抗沖擊性能。
NaOH處理對復合材料模量的影響較對強度的影響略有規律。從圖1(c)和圖1(d)可以看出，不同濃度的NaOH溶液處理大麻纖維4h后所得復合材料的拉伸模量均在同組中高，且均超過未處理復合材料的拉伸模量值，而處理6h所得的彎曲模量高，但雖則如此，其值仍然低于未處理復合材料的彎曲模量，說明NaOH處理不利于復合材料彎曲模量的改善。裂伸長率，原因可能是由于熱固性樹脂基復合材料剛性大，斷裂過程中不易變形的結果。
3結論
1) NaOH溶液的濃度及其處理大麻纖維的時間對大麻纖維/UP樹脂復合材料的力學性能存在明顯的影響。其中，30%NaOH溶液處理6h可使復合材料的拉伸強度得到大幅度的提高：lOwt%NaOH溶液處理6h與30wt%NaOH溶液處理2h對復合材料彎曲強度的改善效果好，且彼此相當，但幅度明顯小于堿處理對拉伸強度的大改善幅度：不同濃度的NaOH溶液處理大麻纖維4h后所得復合材料的拉伸模量均在同組中高，且均超過未處理復合材料的拉伸模量值，而處理6h所得的彎曲模量高，但其值仍然低于未處理復合材料的彎曲模量；不同濃度NaOH溶液處理復合材料的拉伸斷裂伸長率隨著堿處理時間的延長均先逐漸下降而后不斷升高，且所有復合材料的伸長率均在0.5%以內；NaOH溶液處理大麻纖維將降低復合材料的抗沖擊性能。
2)氨水處理大麻纖維將提高復合材料的拉伸模量，但對其它的力學性能均存在不利的影響，但影響不明顯。
3)室溫堿處理對大麻纖維/UP樹脂復合材料力學性能的影響與對苧麻布/UP樹脂復合材料力學性能的影響趨勢不盡相同，甚至相反。
