摘要：采用模壓工藝制備了不飽和聚酯(UP)樹脂/大麻纖維復合材料，研究了大麻纖維加入量及纖維的堿處理、乙?；幚砑芭悸搫┨幚韺秃喜牧狭W性能的影響；采用傅立葉變換紅外光譜儀對復合材料的結構進行了表征和分析。結果表明，隨著大麻纖維含量的增加，UP樹脂/大麻纖維復合材料的拉伸彈性模量逐漸增加，拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量及沖擊強度等均先降低而后逐漸增大；偶聯劑處理對復合材料力學性能的改善效果好；偶聯劑與纖維之間發生了酯化反應。

    近些年來利用天然植物纖維增強聚合物的研究受到了人們的廣泛關注[1-3]，天然植物纖維質輕、比強度高、來源廣、價格便宜，且環保、可再生，用其與聚合物制成復合材料不僅可降低復合材料的成本，而且具有易降解、無污染等優點。在所有植物纖維中，研究較多的有木纖維[4]、麻纖維[5]、農作物秸稈[6]等，其中，麻纖維產量大、分布廣、模量高，是一種應用前景廣闊的聚合物用增強材料。我國是大麻纖維的主產國，近年來大麻產量已占大麻產量的1/3左右，居位。大麻纖維細、強度高，單纖斷裂強度雖然低于苧麻，但優于亞麻[7]。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t，其市場年消費總量達到122萬t[8]。因此利用大麻纖維增強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，在某些場合替代玻璃鋼制品，以減少環境污染，減少玻璃纖維生產過程中的能源消耗，具有重要的經濟效益和社會效益。筆者以UP樹脂為基體，大麻纖維為增強材料，制備了UP樹脂/大麻纖維復合材料，并研究了其性能。

    1、實驗部分
    1.1、主要原材料
    UP樹脂：鄰苯型，南京費隆復合材料有限責任公司；
    大麻原麻：金海苧麻紡織公司；
    氫氧化鈉(NaOH)：分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；
    冰乙酸：分析純，汕頭市西隴化工廠；
    偶聯劑：KH-570，南京康普頓曙光有機硅化工有限公司。
    1.2、主要儀器及設備
    電子天平：T-500型，常熟雙杰測試儀器廠；
    分析天平：BS124S型，精度0.0001g，北京塞多利斯儀器系統有限公司；
    電熱恒溫鼓風干燥箱：GZX-9240MBE型，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；
    平板硫化機：XLB-D350×350×2型，上海橡膠機械廠；
    電子萬能試驗機：CMT4204型，深圳新三思材料檢測有限公司；
    簡支梁沖擊試驗機：XJJ-5型，承德市試驗機廠；[-page-]
    傅立葉變換紅外光譜(FTIR)儀：VERTEX70型，德國布魯克公司。
    1.3、試樣制備
    1.3.1、大麻纖維的制備及預處理
    利用鋼絲刷對大麻原麻進行梳理，將大麻原麻細化成大麻纖維，然后將纖維切成長7mm的短切纖維，在105℃下烘至恒重。分別采用下列方法處理：
    (1)堿處理：配制20%濃度的NaOH溶液，將大麻纖維放入其中浸泡，待30min后從溶液中取出，用水漂洗纖維，直到其為中性；
    (2)乙酰化處理[9]：使用一定量的冰乙酸，將大麻纖維放入其中浸泡，然后放入120℃的烘箱中，放置150min后從溶液中取出纖維，晾干；
    (3)偶聯劑處理：稱取質量分數為纖維含量3%的KH-570偶聯劑，加入適當溶劑配制成溶液，將大麻纖維放入其中浸泡，待30min后從溶液中取出纖維，晾干。
    1.3.2、UP樹脂/大麻纖維復合材料試樣制備復合材料試樣制備工藝如圖1所示。

    1.4、性能測試
    拉伸性能按GB/T1447-1983測試，拉伸速率10mm/min；彎曲性能按GB/T1449-1983測試，彎曲速率10mm/min，跨距50mm；沖擊性能按GB/T1451-2005測試，擺錘能量2J。
    FTIR分析：選取沖擊試樣，利用切片法從其斷面上制樣，采用ATR技術對材料進行FTIR分析。

    2、結果與討論
    2.1、纖維含量對復合材料力學性能的影響
    圖2為不同大麻纖維含量對UP樹脂/大麻纖維復合材料力學性能的影響。從圖2可以看出，純UP樹脂澆注體的拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度分別為15.83MPa、48.67MPa和1.80kJ/m2，隨著大麻纖維含量的增加，UP樹脂/大麻纖維復合材料的拉伸強度、沖擊強度值均先減小而后又逐漸增大，即當大麻纖維質量分數為10%時，復合材料的拉伸強度及沖擊強度均達低值，分別為12.20MPa和1.75kJ/m2，較純UP樹脂澆注體分別下降了22.93%和2.78%，說明此時大麻纖維的加入對復合材料的性能特別是拉伸強度不利，[-page-]但隨著大麻纖維含量的進一步增加，復合材料的拉伸強度及沖擊強度又逐漸增大，當大麻纖維的質量分數為40%時，復合材料的拉伸強度及沖擊強度分別達到21.59MPa和4.77kJ/m2，較純UP樹脂澆注體分別提高了36.39%和165.00%，增強增韌效果非常明顯。但復合材料彎曲強度受纖維含量變化的影響有所不同，雖然總體趨勢也是先降低而后增加，但其低值出現在纖維質量分數為20%處，而后彎曲強度逐漸增加，但即使纖維含量達到40%時，復合材料的彎曲強度仍然只與純UP樹脂澆注體相當。纖維含量對復合材料彎曲強度的影響與拉伸強度不同，其原因可能是兩者的斷裂機理不一致造成的[10]。
 

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    由圖2還可以發現，隨著纖維含量的增加，復合材料的拉伸彈性模量逐漸增加，與混合法則的理論推測的趨勢是一致的；但材料彎曲彈性模量的變化趨勢卻明顯與混合法則不同，而是呈先降低而后增大趨勢，但當纖維質量分數達到20%后，復合材料的彎曲彈性模量又基本保持不變。實驗結果既表明了復合材料結構上的復雜性，又說明混合法則作為一種理論公式在實際使用過程中也存在某些局限性。
    2.2、纖維預處理對復合材料力學性能的影響
    圖3為大麻纖維不同處理方法對UP樹脂/大麻纖維復合材料力學性能的影響。圖3表明，3種預處理方法對復合材料拉伸強度的影響均不十分明顯，即使采用效果好的偶聯劑處理也僅能使復合材料的拉伸強度由處理前的17.61MPa提高到19.64MPa，提高幅度僅為11.53%；纖維處理對復
合材料彎曲強度的改善效果也不理想，只有堿處理可明顯改善復合材料的彎曲強度，提高幅度達22.69%，另外兩種處理方法的提高幅度僅分別為2.87%和9.48%。從圖3還可看出，乙?；幚砑芭悸搫┨幚砜墒箯秃喜牧系睦鞆椥阅Ａ糠謩e提高5.13%和6.16%，但堿處理卻使復合材料的拉伸彈性模量降低；且3種處理方法均能降低復合材料的彎曲彈性模量，下降幅度分別為20.86%、18.93%和8.70%。沖擊強度測試結果表明，采用偶聯劑處理可使復合材料的沖擊強度從原來的3.66kJ/m2提高到4.25kJ/m2，提高幅度為16.12%；而其它兩種處理方法使復合材料的沖擊強度降低。由此可見，偶聯劑處理對UP樹脂/大麻纖維復合材料力學性能的改善效果好，而堿處理對材料彎曲強度的提高效果好。在3種處理方法中，乙?；幚淼淖饔貌?。

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    另外，需要補充說明的是，堿處理對復合材料力學性能的影響情況較為復雜，其濃度、處理時間對復合材料的力學性能均存在明顯的影響，且這種影響無規律性，其影響趨勢也與UP樹脂/苧麻布復合材料的影響趨勢并不完全一致。
    2.3、UP樹脂/大麻纖維復合材料的FTIR分析
    圖4示出UP樹脂/大麻纖維復合材料中纖維處理前后的FTIR譜圖。
 

    圖4a表明，在3400～3600cm-1處出現的主要是大麻纖維上的羥基(還有少量UP樹脂長鏈末端的羥基)吸收峰，在2800～3000cm-1處出現的是―CH3和―CH2的伸縮振動吸收峰，在1720cm-1處是羧酸基團的特征吸收峰，在1240cm-1處是酯基的特征吸收峰，在721.26cm-1處是―CH2的面內搖擺振動吸收峰[11]。[-page-]
    在圖4b中3400～3600cm-1處的吸收峰隱約出現，但峰的強度與圖4a中同一位置的峰相比明顯降低。其原因是大麻纖維經堿處理后形成纖維素鈉鹽(纖維素―ONa)[12]，導致纖維表面的羥基含量降低，所以表現為峰強度降低。對比圖4a和圖4b可以發現兩者在其它波數的特征峰位置及形狀都基本相似，說明堿處理對纖維表面化學結構的影響可能主要是降低羥基含量。
    圖4c表明，3400～3600cm-1處的吸收峰基本消失，說明乙酰化處理可使纖維表面的―OH基團發生酯化反應，但在1735～1740cm-1處的酯基中CO的特征吸收峰并不十分明顯，說明乙?；幚韺w維的酯化效果并不十分理想。
    由圖4d可見，在3400～3600cm-1處卻出現較強的吸收峰，可能是由于偶聯劑的烷氧基水解形成硅醇[13]，而Si―OH締合時O―H伸縮振動處于高波數，從而可觀察到強度較高的吸收峰；在2800～3000cm-1處出現的是―CH3和―CH2的伸縮振動吸收峰。偶聯劑的引入使得―CH3相對含量升高，使該處的峰強度較圖4a、圖4b和圖4c均有所提高；在1240cm-1處出現了相對增強的酯基特征吸收峰。這可能是由于偶聯劑化學結構中含有酯基所致；在1735～1740cm-1處出現了酯基中CO的特征吸收峰，該處吸收峰較其它3種復合材料的吸收峰均有所增強，說明偶聯劑與纖維發生了反應，使得纖維中的酯鍵增多，纖維與樹脂間的鍵合穩定性更高，這點可與力學性能相印證。

    3、結論
    (1)使用適量的大麻纖維與UP樹脂復合可明顯提高復合材料的拉伸性能和沖擊性能。
    (2)對大麻纖維進行預處理將對復合材料的力學性能產生明顯影響，其中偶聯劑處理對復合材料力學性能的改善效果佳。
    (3)FTIR分析表明，堿處理大麻纖維將主要降低其中―OH的含量；乙?；幚韺︴セЧ饔貌淮螅慌悸搫┨幚砜墒勾舐槔w維上的酯鍵增多，纖維與樹脂之間的結合穩定性更高。