CN102211364A - 一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，其特征在于，具体步骤为：将苎麻纤维浸入乙醇中进行预处理，干燥，再用常温常压等离子体方法对苎麻纤维进行表面处理。本发明能有效提高苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能。

Description

一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法
技术领域
本发明涉及一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，属于纤维增强复合材料技术领域。
背景技术
纤维增强复合材料的性能取决于组分的性能和组分间的界面相容性。苎麻纤维中由于含有大量的羟基而呈现亲水性，而大部分热塑性树脂是憎水的，因而不利于苎麻纤维与树脂基体的界面粘结。因此，在制备苎麻纤维增强树脂基复合材料前通常需要对纤维进行改性以降低其亲水性及吸湿性，提高复合材料的界面粘结力。
麻纤维改性有两种方法，物理改性法和化学改性法。
物理改性法: 不改变纤维的化学组成，但改变了纤维的结构和表面性能从而改善了纤维与基体聚合物的物理粘合。已研究的方法有蒸汽爆破处理法、热处理法、碱处理法、低温等离子体处理、放电处理、Y 射线辐照处理、微波辐射、超声波处理和拉伸处理等。
化学改性法: 在纤维表面引入了反应活性点或通过化学反应在纤维表面引入新的官能团，从而改变了纤维表面的表面结构和性质，增加了纤维与基体的相容性，改善了纤维与树脂基体的界面粘接情况，现有的改性方法有: 用苯甲酸、有机硅烷等处理; 用聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇等处理; 用硅烷偶联剂等进行偶联处理; 用甲基丙烯酸甲酯、丙烯睛、丙烯酸乙酯、丙烯酸等对纤维进行接枝共聚等。
在上述方法中，多数方法的处理效果不尽如人意，或者由于成本问题难以投入生产使用。而硅烷偶联剂等虽然使用广泛，但其合成路线须引入氯，故存在较为突出的污染和设备腐蚀问题，生产流程长，成本也相对高。因而有必要继续开发一种真正绿色的处理方法，使得苎麻纤维增强复合材料成为真正的绿色复合材料。
本发明采用了用乙醇预处理和常温常压等离子体处理结合的方法，使纤维表面的纤维素分子和乙醇试剂发生化学反应。在电镜，元素分析实验以及动态接触角测试后证实该方法对于苎麻纤维和树脂的粘结性有了很大的改善，未来在复合材料领域将会有广阔的前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的方法来改善苎麻纤维与热塑性树脂之间的界面性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，其特征在于，具体步骤为：将苎麻纤维浸入无水乙醇中进行预处理，干燥，再用常温常压等离子体方法对苎麻纤维进行表面处理。
所述的常温常压等离子体方法的具体条件为：采用常压等离子体射流设备，通入氦气(纯度为99.99%)，氦气流量为30LPM，电源频率为13.65MHZ，电源功率为42w，苎麻纤维的处理时间为24s。
优选地，所述的常压等离子体射流设备采用圆形喷头，喷口高度为2mm，喷口直径为2.5cm。
优选地，所述的干燥条件为：温度20℃、相对湿度65%。
本发明的原理如下：苎麻纤维由于等离子的刻蚀作用，在扫描电子显微镜（SEM）显示处理后的纤维表面粗糙度增加，这有利于与树脂的机械锁结。X射线光电子能谱分析仪（XPS）显示，纤维表面的碳元素含量以及疏水的C-C基团在处理后有所增加。动态接触角测试同时显示纤维表面与水的接触角变大了。微复合材料测试显示纤维与聚丙烯的界面剪切强力（IFSS）比空白组增加了将近50%，这很可能是由于纤维表面粗糙度增加以及纤维与乙醇在等离子环境下发生反应产生一层较疏水的纤维表面的综合作用，从而提高了纤维与聚丙烯基体的相容性。
本发明的优点如下：
苎麻纤维是自然界中资源非常丰富的天然植物纤维，可能在未来代替玻璃纤维等合成增强纤维，成为具有优良性能和价格低的复合材料的研究。麻类纤维不仅价廉质轻、比强度和比刚度高，并且具有可生物降解等优良特性，是其他的增强材料无法比拟的。
常压等离子体射流，作为一种新型的表面改性方法，相对于真空型等离子体表面改性来说具有连续操作，成本低廉等优势，可广泛应用于实际生产当中，作为一种新型的表面处理方法，等离子体已被证明可以改变物质表面的结构以及化学性状。不同于低压等离子体处理，常压等离子体处理可以处理含液的材料。
附图说明
图1为常压等离子体射流设备结构示意图；其中，1代表射频输入端，2代表氦气输入口，3代表喷嘴，4代表苎麻纤维，5代表中心电极，6代表等离子体。
图2为微脱粘方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例1
1、制样：所有苎麻纤维用无水乙醇中浸泡10分钟，然后置于20℃，65% 相对湿度的标准状态下平衡，随机抽取长度10 厘米左右的纤维，用双面胶和环氧树脂固定在硬卡纸所制作的模具上待用；
2、等离子体表面处理：采用如图1所示的常压等离子体射流设备，通入氦气，氦气流量为30LPM，电源频率为13.65MHZ，电源功率为42w，苎麻纤维的处理时间为24s，所述的常压等离子体射流设备采用圆形喷头，喷口高度为2mm，喷口直径为2.5cm，对上述待用纤维进行表面处理，在纤维表面形成一层疏水的乙烯基膜。
3、粘结性能测试：采用微脱粘方法来测定纤维与聚丙烯树脂间的粘结性能。如图2所示，为微脱粘方法示意图。在XQ-2纤维拉伸仪的下夹头处安装一个夹持块7用来替代下夹头，实验中夹持块7向下运动，抵住聚丙烯树脂8，使苎麻纤维9与聚丙烯树脂8分离，测的实验数据。
结果见下表：
处理条件 剪切强度（Mpa) 提高比例（%）
未经等离子体处理 16.05 0
酒精预浸+等离子体处理 24.28 51
由粘结性能结果分析可以看出，将苎麻纤维经无水乙醇预处理后再经等离子体处理取得了不错的实验效果，可将苎麻与聚丙烯树脂的界面剪切强度提高50%左右。

Claims (4)

1.一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，其特征在于，具体步骤为：将苎麻纤维浸入无水乙醇中进行预处理，干燥，再用常温常压等离子体方法对苎麻纤维进行表面处理。
2.如权利要求1所述的改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，其特征在于，所述的常温常压等离子体方法的具体条件为：采用常压等离子体射流设备，通入氦气，氦气流量为30LPM，电源频率为13.65MHZ，电源功率为42w，苎麻纤维的处理时间为24s。
3.如权利要求2所述的改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，其特征在于，所述的常压等离子体射流设备采用圆形喷头，喷口高度为2mm，喷口直径为2.5cm。
4.如权利要求1所述的改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法，其特征在于，所述的干燥条件为：温度20℃、相对湿度65%。
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