碱处理大麻纤维／不饱和聚酯树脂复合材料的性能
0引言
大麻系桑科（Maraceae），属一年生草本植物。我国是大麻纤维的主产国，遍布，其中以北方为多。近年来大麻产量己占大麻产量的1/3左右，居位。大麻纤维细度细、强度高、单纤断裂强度虽然低于苎麻，但优于亚麻。另一方面，我国是不饱和聚酯(UP)树脂生产和消费大国，2006年，我国UP树脂的产量达到115万吨，全年市场消费总量达到122万吨。利用大麻纤维增强UP树脂，不仅原料来源十分丰富，而且可进一步促进UP树脂及大麻纤维的市场应用，同时，在某些场合替代FRP制品，减少环境污染，减少玻璃纤维生产过程中的能源消耗。但和其它天然纤维/聚合物复合材料相似，大麻纤维与UP树脂复合时，由于界面结合的原因往往使得复合材料的力学性能较差，因而，选用适当的方法改善大麻纤维与UP树脂基体间的结合对于开发此类复合材料产品意义重大，对麻纤维进行碱处理是改善麻塑复合材料性能的一种重要方法。作者曾利用NaOH溶液处理苎麻布，研究了碱处理对苎麻布／UP树脂复合材料力学性能及断面形貌的影响Isl，发现适当的碱处理后复合材料的冲击断面上纤维与树脂间的结合更牢，样品断裂时，更多纤维发生扯断现象，而非象未处理复合材料那样发生纤维拔出，碱处理可有效改善复合材料中树脂基体与苎麻布之间的界面结合。
为此，本文选用不同浓度的NaOH溶液浸泡大麻纤维，研究了碱浓度及浸泡时间对复合材料性能的影响。
1实验部分
1.1原料
UP树脂，邻苯型，南京费隆复合材料有限公司；环烷酸钴，常州前进化工厂；MEKP，浙江黄岩焦坑化工厂：大麻原麻纤维，南京金海苎麻纺织公司；氢氧化钠，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；氨水，苏州晶瑞化学有限公司。
1．2实验设备
电子万能实验机，CMT4204，深圳新三思材料检测有限公司；冲击强度实验机，XJJ-5,承德试验机有限公司；电子天平，S124S，塞多利斯公司。
1.3试样制备
将大麻原麻去除杂物，用钢刷将大麻原麻细化成大麻纤维，然后用裁纸刀将纤维切成7mm长的短切纤维，在105℃温度下烘至恒重。冷却至室温后，取出，放入预先配好质量浓度分别为10％、20％和30％的NaOH溶液和氨水溶液中进行常温浸泡，至指定时间后取出，用自来水反复冲洗，并用pH试纸检测淋洗液的pH值，当接近中性时，改用蒸馏水冲洗，直至淋洗液呈中性为止。然后将碱处理前后的大麻纤维放入60℃的烘箱中，恒温6h以上，直至所有大麻纤维恒重。将干燥的大麻纤维冷却至室温，备用。根据大麻纤维的质量，按照20:100的比例称取UP树脂，与大麻纤维机械混合后，加入树脂质量1％的萘酸钴作为促进剂，机械搅拌均匀后，再按照树脂质量的1%加入过氧化甲乙酮（MEKP)作为催化剂，再次机械搅拌均匀。然后将混合料加入模具中，合模后，先施加10MPa的压力模压lmin,然后用392N的压力模压成型24h，脱模，并在70℃条件下后处理4h。冷却至室温后制样。
1. 4性能测试
拉伸性能按GB1447-1983测定，拉伸速率l0mm/min：弯曲性能按GB1449-83测定，弯曲速率5m m/min；冲击强度按GB1451-2005测定，摆锤能量2J。每种力学性能各取5根试样进行试验，取平均值为实验结果。
2实验结果与讨论
2.1 NaOH浸泡对复合材料力学性能的影响
纤维撕裂，也可能是由于碱处理的纤维束表面脱去了部分果胶而留下单纤维间界面，从而增加了基体与纤维的物理结合强度。图1(f)冲击强度的实验结果表明，利用强碱浓溶液处理大麻适当的NaOH处理可提高复合材料的拉伸强度，但NaOH溶液的浓度不同，其预处理时间对复合材料拉伸强度的影响也彼此不一样（见图la），其中，30wt%NaOH溶液处理6h可使复合材料具有佳的拉伸强度，其值比未处理复合材料高80.04%;碱处理对弯曲强度的影响情况与拉伸强度有所不同，与对苎麻布/UP复合材料弯曲强度的影响也不一样。王俊勃等人研究发现，室温碱处理可使苎麻精干麻／酚醛树脂复合材料的弯曲强度降低，而使兰麻原麻／酚醛树脂复合材料的弯曲强度升高。苎麻布/UP复合材料弯曲强度受室温碱处理的影响与苎麻精干麻／酚醛树脂复合材料相似，而总体上，适当的室温碱处理却可提高大麻纤维/UP树脂复合材料的弯曲强度，其中，lOwt%NaOH溶液处理6h与30wt%NaOH溶液处理2h效果好，且彼此相当，但对弯曲强度的改善幅度分别仅为3.7%和4.76%，明显小于碱处理对拉伸强度的大改善幅度。碱处理可以改善弯曲强度，可能是由于弯曲断裂时，纤维与基体胶粘时界面粘合牢固而将纤维将降低复合材料的抗冲击性能。
NaOH处理对复合材料模量的影响较对强度的影响略有规律。从图1(c)和图1(d)可以看出，不同浓度的NaOH溶液处理大麻纤维4h后所得复合材料的拉伸模量均在同组中高，且均超过未处理复合材料的拉伸模量值，而处理6h所得的弯曲模量高，但虽则如此，其值仍然低于未处理复合材料的弯曲模量，说明NaOH处理不利于复合材料弯曲模量的改善。裂伸长率，原因可能是由于热固性树脂基复合材料刚性大，断裂过程中不易变形的结果。
3结论
1) NaOH溶液的浓度及其处理大麻纤维的时间对大麻纤维/UP树脂复合材料的力学性能存在明显的影响。其中，30%NaOH溶液处理6h可使复合材料的拉伸强度得到大幅度的提高：lOwt%NaOH溶液处理6h与30wt%NaOH溶液处理2h对复合材料弯曲强度的改善效果好，且彼此相当，但幅度明显小于碱处理对拉伸强度的大改善幅度：不同浓度的NaOH溶液处理大麻纤维4h后所得复合材料的拉伸模量均在同组中高，且均超过未处理复合材料的拉伸模量值，而处理6h所得的弯曲模量高，但其值仍然低于未处理复合材料的弯曲模量；不同浓度NaOH溶液处理复合材料的拉伸断裂伸长率随着碱处理时间的延长均先逐渐下降而后不断升高，且所有复合材料的伸长率均在0.5%以内；NaOH溶液处理大麻纤维将降低复合材料的抗冲击性能。
2)氨水处理大麻纤维将提高复合材料的拉伸模量，但对其它的力学性能均存在不利的影响，但影响不明显。
3)室温碱处理对大麻纤维/UP树脂复合材料力学性能的影响与对苎麻布/UP树脂复合材料力学性能的影响趋势不尽相同，甚至相反。
大麻系桑科（Maraceae），属一年生草本植物。我国是大麻纤维的主产国，遍布，其中以北方为多。近年来大麻产量己占大麻产量的1/3左右，居位。大麻纤维细度细、强度高、单纤断裂强度虽然低于苎麻，但优于亚麻。另一方面，我国是不饱和聚酯(UP)树脂生产和消费大国，2006年，我国UP树脂的产量达到115万吨，全年市场消费总量达到122万吨。利用大麻纤维增强UP树脂，不仅原料来源十分丰富，而且可进一步促进UP树脂及大麻纤维的市场应用，同时，在某些场合替代FRP制品，减少环境污染，减少玻璃纤维生产过程中的能源消耗。但和其它天然纤维/聚合物复合材料相似，大麻纤维与UP树脂复合时，由于界面结合的原因往往使得复合材料的力学性能较差，因而，选用适当的方法改善大麻纤维与UP树脂基体间的结合对于开发此类复合材料产品意义重大，对麻纤维进行碱处理是改善麻塑复合材料性能的一种重要方法。作者曾利用NaOH溶液处理苎麻布，研究了碱处理对苎麻布／UP树脂复合材料力学性能及断面形貌的影响Isl，发现适当的碱处理后复合材料的冲击断面上纤维与树脂间的结合更牢，样品断裂时，更多纤维发生扯断现象，而非象未处理复合材料那样发生纤维拔出，碱处理可有效改善复合材料中树脂基体与苎麻布之间的界面结合。
为此，本文选用不同浓度的NaOH溶液浸泡大麻纤维，研究了碱浓度及浸泡时间对复合材料性能的影响。
1实验部分
1.1原料
UP树脂，邻苯型，南京费隆复合材料有限公司；环烷酸钴，常州前进化工厂；MEKP，浙江黄岩焦坑化工厂：大麻原麻纤维，南京金海苎麻纺织公司；氢氧化钠，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；氨水，苏州晶瑞化学有限公司。
1．2实验设备
电子万能实验机，CMT4204，深圳新三思材料检测有限公司；冲击强度实验机，XJJ-5,承德试验机有限公司；电子天平，S124S，塞多利斯公司。
1.3试样制备
将大麻原麻去除杂物，用钢刷将大麻原麻细化成大麻纤维，然后用裁纸刀将纤维切成7mm长的短切纤维，在105℃温度下烘至恒重。冷却至室温后，取出，放入预先配好质量浓度分别为10％、20％和30％的NaOH溶液和氨水溶液中进行常温浸泡，至指定时间后取出，用自来水反复冲洗，并用pH试纸检测淋洗液的pH值，当接近中性时，改用蒸馏水冲洗，直至淋洗液呈中性为止。然后将碱处理前后的大麻纤维放入60℃的烘箱中，恒温6h以上，直至所有大麻纤维恒重。将干燥的大麻纤维冷却至室温，备用。根据大麻纤维的质量，按照20:100的比例称取UP树脂，与大麻纤维机械混合后，加入树脂质量1％的萘酸钴作为促进剂，机械搅拌均匀后，再按照树脂质量的1%加入过氧化甲乙酮（MEKP)作为催化剂，再次机械搅拌均匀。然后将混合料加入模具中，合模后，先施加10MPa的压力模压lmin,然后用392N的压力模压成型24h，脱模，并在70℃条件下后处理4h。冷却至室温后制样。
1. 4性能测试
拉伸性能按GB1447-1983测定，拉伸速率l0mm/min：弯曲性能按GB1449-83测定，弯曲速率5m m/min；冲击强度按GB1451-2005测定，摆锤能量2J。每种力学性能各取5根试样进行试验，取平均值为实验结果。
2实验结果与讨论
2.1 NaOH浸泡对复合材料力学性能的影响
纤维撕裂，也可能是由于碱处理的纤维束表面脱去了部分果胶而留下单纤维间界面，从而增加了基体与纤维的物理结合强度。图1(f)冲击强度的实验结果表明，利用强碱浓溶液处理大麻适当的NaOH处理可提高复合材料的拉伸强度，但NaOH溶液的浓度不同，其预处理时间对复合材料拉伸强度的影响也彼此不一样（见图la），其中，30wt%NaOH溶液处理6h可使复合材料具有佳的拉伸强度，其值比未处理复合材料高80.04%;碱处理对弯曲强度的影响情况与拉伸强度有所不同，与对苎麻布/UP复合材料弯曲强度的影响也不一样。王俊勃等人研究发现，室温碱处理可使苎麻精干麻／酚醛树脂复合材料的弯曲强度降低，而使兰麻原麻／酚醛树脂复合材料的弯曲强度升高。苎麻布/UP复合材料弯曲强度受室温碱处理的影响与苎麻精干麻／酚醛树脂复合材料相似，而总体上，适当的室温碱处理却可提高大麻纤维/UP树脂复合材料的弯曲强度，其中，lOwt%NaOH溶液处理6h与30wt%NaOH溶液处理2h效果好，且彼此相当，但对弯曲强度的改善幅度分别仅为3.7%和4.76%，明显小于碱处理对拉伸强度的大改善幅度。碱处理可以改善弯曲强度，可能是由于弯曲断裂时，纤维与基体胶粘时界面粘合牢固而将纤维将降低复合材料的抗冲击性能。
NaOH处理对复合材料模量的影响较对强度的影响略有规律。从图1(c)和图1(d)可以看出，不同浓度的NaOH溶液处理大麻纤维4h后所得复合材料的拉伸模量均在同组中高，且均超过未处理复合材料的拉伸模量值，而处理6h所得的弯曲模量高，但虽则如此，其值仍然低于未处理复合材料的弯曲模量，说明NaOH处理不利于复合材料弯曲模量的改善。裂伸长率，原因可能是由于热固性树脂基复合材料刚性大，断裂过程中不易变形的结果。
3结论
1) NaOH溶液的浓度及其处理大麻纤维的时间对大麻纤维/UP树脂复合材料的力学性能存在明显的影响。其中，30%NaOH溶液处理6h可使复合材料的拉伸强度得到大幅度的提高：lOwt%NaOH溶液处理6h与30wt%NaOH溶液处理2h对复合材料弯曲强度的改善效果好，且彼此相当，但幅度明显小于碱处理对拉伸强度的大改善幅度：不同浓度的NaOH溶液处理大麻纤维4h后所得复合材料的拉伸模量均在同组中高，且均超过未处理复合材料的拉伸模量值，而处理6h所得的弯曲模量高，但其值仍然低于未处理复合材料的弯曲模量；不同浓度NaOH溶液处理复合材料的拉伸断裂伸长率随着碱处理时间的延长均先逐渐下降而后不断升高，且所有复合材料的伸长率均在0.5%以内；NaOH溶液处理大麻纤维将降低复合材料的抗冲击性能。
2)氨水处理大麻纤维将提高复合材料的拉伸模量，但对其它的力学性能均存在不利的影响，但影响不明显。
3)室温碱处理对大麻纤维/UP树脂复合材料力学性能的影响与对苎麻布/UP树脂复合材料力学性能的影响趋势不尽相同，甚至相反。
