经过碱处理的麻纤维的界面改性情况

1、经过碱处理的麻纤维的界面改性情况7 August 2015作者：Dody Ariawan, Muhamad Saifuddin Salim, Razaina Mat Taib, Zainal Arifin Mohd. Ishak, and Mohd. Zharif Ahmad Thirmizir与聚合物基质相容的界面的产生增强了纤维和不饱和聚酯复合材料之间的相互作用。麻（红麻）是木槿属和锦葵科，这种一年生作物涉及棉花和黄麻。经过加工的麻纤维（KF）具有低密度，不用研磨，并具有高比强度。这些有利的性能以及其可再生性质，意味着KF已经不止是传统的作为绳索，地毯，和大袋的原料了。现在KF也用来增强高

2、分子复合材料，并在建筑和汽车行业有所应用。然而KF高极性的特性意味着这种材料与更弱极性或非极性的聚合物不相容。因此这些物质的结合物的载荷传递特性和机械性能不高。 用于评估碱处理以提高天然纤维的强度和机械性能的几个研究已经进行。但是只有有限的研究的重点，就界面性质（即粗糙度，面积峰密度和粘附特性）和纤维基润湿性的效果而言，是放在处理过的纤维的改性上的。我们先前已经证明，碱处理可以增强纤维素纤维（例如KF）和聚合物基体之间的粘合性，因此可以改善这种复合材料的机械性能。这是因为覆盖纤维细胞壁的外表面的木质素，果胶，蜡质物质，和天然油脂被除去。纤维和基质之间发生了机械联锁（以及摩擦），纤维的界面粘合性

3、和润湿性因此增加了。因此可以预料，与未处理的样品相比，由经过碱处理的纤维制备的复合材料显示出较高的机械性能。 在我们的新的工作中，我们已经进行了实验来研究经过碱处理的KF的界面改性与增强复合材料的机械性能的关系。我们已经测量了用6的氢氧化钠进行三小时碱处理的KF样品的物理和机械性能。例如，我们使用X射线衍射和西格尔公式测量了样品在碱处理前后的结晶度指数（CRI）值。我们发现作为碱处理过的KF样品的CRI值显著增加。这里CRI增加是由于碱处理去除了非晶材料以及增加了KF内部的晶体堆积有序性导致的（见表1）。表1. KF样品（碱处理前后）的结晶度指数（CRI），拉伸强度（），拉伸模量（E），2D粗

4、糙度（Ra），均方根（RMS）和区域的峰值密度。处理CRI (MPa)E (GPa)Ra (nm)RMSArea peak density未处理的KF55.7251.4±49.317.4±5.436.847.63.9经碱处理的KF60.4384.7±67.829.4±8.220.125.339.98我们还做出了从扫描电子显微镜图像和原子力显微镜（AFM）对KF样品的表面形态进行的定性观察的数据。见图1（A），未处理的KF都具有极其多相的表面，这表明有杂质，蜡和脂肪物质存在。图2（A）中，我们的AFM结果支持了这一发现，其中观察到未处理的样品具有球状子结构

5、和高峰值轮廓的光滑表面。KF样品表面上的胶粘材料（即蜡，脂肪，木质素，果胶和半纤维素）导致了这些子结构的产生。相比之下，如图1（B），碱处理过的KF样本具有更光滑的表面和无杂质/蜡区域。图2（B）中我们的AFM结果显示了片状和沟槽表面。此外，处理过的样品的低级均方根和二维粗糙度值（见表1）有着代表性的较低峰值的轮廓。图1.（A）未处理的洋麻纤维（KF）的表面和（B）碱处理KF表面的扫描电子显微镜图像。图2.（A）未处理和（B）经过碱处理的KF样品表面的原子力显微镜的数据。然而我们发现，经过碱处理的区域的峰值密度值高于未处理试样。这样就产生了更大的纤维基质的特定接触面积，纤维的润湿性也有改善（见

6、表2）。我们测量表面能以获取未处理和碱处理的KF样品的润湿性。碱处理的KF样品显示出更大的润湿性，因为在纤维表面的蜡和木质素（其具有相当大的非极性性质）已被去除。所述非极性成分的去除导致纤维的极性和样品的表面能量增加。此外，碱处理过的KF粗糙度的降低提升了与表面接触的液体的分散性，因此其表面能增大。因此，我们发现，碱处理的KF样品表现出更高的分散能量值，因为它们有较低的表面粗糙度（见表2）。表2. 未处理和碱处理KF样品的分散性（d），极性（p），和表面能（）测量。也给出了测得的用未经处理和碱处理过的KF（与不饱和聚合物）制成的复合材料的的层间剪切强度（ILSS）和断裂韧性（KC）。材料d(m

7、N/m)p(mN/m) (mN/m)ILSS (MPa)KC(MPa.m1/2)未处理的KF3.051.354.35.9±0.63.0±0.1碱处理的KF4.863.568.37.8±0.62.7±0.1在我们的实验中，我们还发现，碱处理改善了KF/不饱和聚酯复合材料的层间剪切强度（ILSS）。我们观察到碱处理样品与未处理样品相比有32的改善。我们认为是层间剪切强度的增加是经过处理的KF与基质之间更好的相互作用造成的。这涉及到表面能的增加，但这并不影响纤维强度的增加（见表1）。但是碱处理的KF复合材料的断裂韧性（KC）低于未经处理的样品。这表明，经过碱处

8、理的KF复合材料中纤维基质的粘附性的改善在一定程度上抑制了能量吸收机制的发展。我们已经进行了一些测试以研究碱处理对KF样本（包括复合材料）的影响，以及之后相关物理变化的机制。我们发现，经过碱处理的KF的结晶度指数，润湿性，以及该材料的层间剪切强度都有增加。在今后的工作中，我们计划研究类似样品的电导率，热膨胀系数，以及湿热膨胀系数。我们将利用这些研究的结果告知和预测KF及其复合材料的特定应用性能。作者信息Dody AriawanSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaMuham

9、ad Saifuddin SalimSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaRazaina Mat TaibSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaZainal Arifin Mohd. IshakSchool of Materials and Mineral Resources Engineering, Universiti Sains MalaysiaM

10、ohd. Zharif Ahmad ThirmizirScience and Engineering Research Centre, Universiti Sains Malaysia参考文献1.Y. Xie, C. A. S. Hill, Z. Xiao, H. Militz and C. Mai, Silane coupling agents used for natural fiber/polymer composites: a review, Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf. 41, pp. 806-819, 2010. 2.M. Z. Rong,

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13、l characterization of alkaline treated kenaf fiber-unsaturated polyester composites fabricated by resin transfer molding, Polym. Compos., 2015. 5.D. Ariawan, Z. A. Mohd Ishak, M. S. Salim, R. Mat Taib, M. Z. Ahmad Thirmizir and H. Pauzi, The effect of alkalization on the mechanical and water absorption properties of nonwoven kenaf fiber/unsaturated-polyster composites produced by resin-transfer molding, Polym. Compos., 2015. 6.L. Segal, J. J. Creely, A. E. Martin Jr. and C. M. Conrad, An empirical method for estimating the degree of crystallinity of nativ