摘要：采用模压工艺制备了不饱和聚酯(UP)树脂/大麻纤维复合材料，研究了大麻纤维加入量及纤维的碱处理、乙酰化处理及偶联剂处理对复合材料力学性能的影响；采用傅立叶变换红外光谱仪对复合材料的结构进行了表征和分析。结果表明，随着大麻纤维含量的增加，UP树脂/大麻纤维复合材料的拉伸弹性模量逐渐增加，拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量及冲击强度等均先降低而后逐渐增大；偶联剂处理对复合材料力学性能的改善效果好；偶联剂与纤维之间发生了酯化反应。

    近些年来利用天然植物纤维增强聚合物的研究受到了人们的广泛关注[1-3]，天然植物纤维质轻、比强度高、来源广、价格便宜，且环保、可再生，用其与聚合物制成复合材料不仅可降低复合材料的成本，而且具有易降解、无污染等优点。在所有植物纤维中，研究较多的有木纤维[4]、麻纤维[5]、农作物秸秆[6]等，其中，麻纤维产量大、分布广、模量高，是一种应用前景广阔的聚合物用增强材料。我国是大麻纤维的主产国，近年来大麻产量已占大麻产量的1/3左右，居位。大麻纤维细、强度高，单纤断裂强度虽然低于苎麻，但优于亚麻[7]。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t，其市场年消费总量达到122万t[8]。因此利用大麻纤维增强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，在某些场合替代玻璃钢制品，以减少环境污染，减少玻璃纤维生产过程中的能源消耗，具有重要的经济效益和社会效益。笔者以UP树脂为基体，大麻纤维为增强材料，制备了UP树脂/大麻纤维复合材料，并研究了其性能。

    1、实验部分
    1.1、主要原材料
    UP树脂：邻苯型，南京费隆复合材料有限责任公司；
    大麻原麻：金海苎麻纺织公司；
    氢氧化钠(NaOH)：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；
    冰乙酸：分析纯，汕头市西陇化工厂；
    偶联剂：KH-570，南京康普顿曙光有机硅化工有限公司。
    1.2、主要仪器及设备
    电子天平：T-500型，常熟双杰测试仪器厂；
    分析天平：BS124S型，精度0.0001g，北京塞多利斯仪器系统有限公司；
    电热恒温鼓风干燥箱：GZX-9240MBE型，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；
    平板硫化机：XLB-D350×350×2型，上海橡胶机械厂；
    电子万能试验机：CMT4204型，深圳新三思材料检测有限公司；
    简支梁冲击试验机：XJJ-5型，承德市试验机厂；[-page-]
    傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪：VERTEX70型，德国布鲁克公司。
    1.3、试样制备
    1.3.1、大麻纤维的制备及预处理
    利用钢丝刷对大麻原麻进行梳理，将大麻原麻细化成大麻纤维，然后将纤维切成长7mm的短切纤维，在105℃下烘至恒重。分别采用下列方法处理：
    (1)碱处理：配制20%浓度的NaOH溶液，将大麻纤维放入其中浸泡，待30min后从溶液中取出，用水漂洗纤维，直到其为中性；
    (2)乙酰化处理[9]：使用一定量的冰乙酸，将大麻纤维放入其中浸泡，然后放入120℃的烘箱中，放置150min后从溶液中取出纤维，晾干；
    (3)偶联剂处理：称取质量分数为纤维含量3%的KH-570偶联剂，加入适当溶剂配制成溶液，将大麻纤维放入其中浸泡，待30min后从溶液中取出纤维，晾干。
    1.3.2、UP树脂/大麻纤维复合材料试样制备复合材料试样制备工艺如图1所示。

    1.4、性能测试
    拉伸性能按GB/T1447-1983测试，拉伸速率10mm/min；弯曲性能按GB/T1449-1983测试，弯曲速率10mm/min，跨距50mm；冲击性能按GB/T1451-2005测试，摆锤能量2J。
    FTIR分析：选取冲击试样，利用切片法从其断面上制样，采用ATR技术对材料进行FTIR分析。

    2、结果与讨论
    2.1、纤维含量对复合材料力学性能的影响
    图2为不同大麻纤维含量对UP树脂/大麻纤维复合材料力学性能的影响。从图2可以看出，纯UP树脂浇注体的拉伸强度、弯曲强度及冲击强度分别为15.83MPa、48.67MPa和1.80kJ/m2，随着大麻纤维含量的增加，UP树脂/大麻纤维复合材料的拉伸强度、冲击强度值均先减小而后又逐渐增大，即当大麻纤维质量分数为10%时，复合材料的拉伸强度及冲击强度均达低值，分别为12.20MPa和1.75kJ/m2，较纯UP树脂浇注体分别下降了22.93%和2.78%，说明此时大麻纤维的加入对复合材料的性能特别是拉伸强度不利，[-page-]但随着大麻纤维含量的进一步增加，复合材料的拉伸强度及冲击强度又逐渐增大，当大麻纤维的质量分数为40%时，复合材料的拉伸强度及冲击强度分别达到21.59MPa和4.77kJ/m2，较纯UP树脂浇注体分别提高了36.39%和165.00%，增强增韧效果非常明显。但复合材料弯曲强度受纤维含量变化的影响有所不同，虽然总体趋势也是先降低而后增加，但其低值出现在纤维质量分数为20%处，而后弯曲强度逐渐增加，但即使纤维含量达到40%时，复合材料的弯曲强度仍然只与纯UP树脂浇注体相当。纤维含量对复合材料弯曲强度的影响与拉伸强度不同，其原因可能是两者的断裂机理不一致造成的[10]。
 

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    由图2还可以发现，随着纤维含量的增加，复合材料的拉伸弹性模量逐渐增加，与混合法则的理论推测的趋势是一致的；但材料弯曲弹性模量的变化趋势却明显与混合法则不同，而是呈先降低而后增大趋势，但当纤维质量分数达到20%后，复合材料的弯曲弹性模量又基本保持不变。实验结果既表明了复合材料结构上的复杂性，又说明混合法则作为一种理论公式在实际使用过程中也存在某些局限性。
    2.2、纤维预处理对复合材料力学性能的影响
    图3为大麻纤维不同处理方法对UP树脂/大麻纤维复合材料力学性能的影响。图3表明，3种预处理方法对复合材料拉伸强度的影响均不十分明显，即使采用效果好的偶联剂处理也仅能使复合材料的拉伸强度由处理前的17.61MPa提高到19.64MPa，提高幅度仅为11.53%；纤维处理对复
合材料弯曲强度的改善效果也不理想，只有碱处理可明显改善复合材料的弯曲强度，提高幅度达22.69%，另外两种处理方法的提高幅度仅分别为2.87%和9.48%。从图3还可看出，乙酰化处理及偶联剂处理可使复合材料的拉伸弹性模量分别提高5.13%和6.16%，但碱处理却使复合材料的拉伸弹性模量降低；且3种处理方法均能降低复合材料的弯曲弹性模量，下降幅度分别为20.86%、18.93%和8.70%。冲击强度测试结果表明，采用偶联剂处理可使复合材料的冲击强度从原来的3.66kJ/m2提高到4.25kJ/m2，提高幅度为16.12%；而其它两种处理方法使复合材料的冲击强度降低。由此可见，偶联剂处理对UP树脂/大麻纤维复合材料力学性能的改善效果好，而碱处理对材料弯曲强度的提高效果好。在3种处理方法中，乙酰化处理的作用差。

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    另外，需要补充说明的是，碱处理对复合材料力学性能的影响情况较为复杂，其浓度、处理时间对复合材料的力学性能均存在明显的影响，且这种影响无规律性，其影响趋势也与UP树脂/苎麻布复合材料的影响趋势并不完全一致。
    2.3、UP树脂/大麻纤维复合材料的FTIR分析
    图4示出UP树脂/大麻纤维复合材料中纤维处理前后的FTIR谱图。
 

    图4a表明，在3400～3600cm-1处出现的主要是大麻纤维上的羟基(还有少量UP树脂长链末端的羟基)吸收峰，在2800～3000cm-1处出现的是―CH3和―CH2的伸缩振动吸收峰，在1720cm-1处是羧酸基团的特征吸收峰，在1240cm-1处是酯基的特征吸收峰，在721.26cm-1处是―CH2的面内摇摆振动吸收峰[11]。[-page-]
    在图4b中3400～3600cm-1处的吸收峰隐约出现，但峰的强度与图4a中同一位置的峰相比明显降低。其原因是大麻纤维经碱处理后形成纤维素钠盐(纤维素―ONa)[12]，导致纤维表面的羟基含量降低，所以表现为峰强度降低。对比图4a和图4b可以发现两者在其它波数的特征峰位置及形状都基本相似，说明碱处理对纤维表面化学结构的影响可能主要是降低羟基含量。
    图4c表明，3400～3600cm-1处的吸收峰基本消失，说明乙酰化处理可使纤维表面的―OH基团发生酯化反应，但在1735～1740cm-1处的酯基中CO的特征吸收峰并不十分明显，说明乙酰化处理对纤维的酯化效果并不十分理想。
    由图4d可见，在3400～3600cm-1处却出现较强的吸收峰，可能是由于偶联剂的烷氧基水解形成硅醇[13]，而Si―OH缔合时O―H伸缩振动处于高波数，从而可观察到强度较高的吸收峰；在2800～3000cm-1处出现的是―CH3和―CH2的伸缩振动吸收峰。偶联剂的引入使得―CH3相对含量升高，使该处的峰强度较图4a、图4b和图4c均有所提高；在1240cm-1处出现了相对增强的酯基特征吸收峰。这可能是由于偶联剂化学结构中含有酯基所致；在1735～1740cm-1处出现了酯基中CO的特征吸收峰，该处吸收峰较其它3种复合材料的吸收峰均有所增强，说明偶联剂与纤维发生了反应，使得纤维中的酯键增多，纤维与树脂间的键合稳定性更高，这点可与力学性能相印证。

    3、结论
    (1)使用适量的大麻纤维与UP树脂复合可明显提高复合材料的拉伸性能和冲击性能。
    (2)对大麻纤维进行预处理将对复合材料的力学性能产生明显影响，其中偶联剂处理对复合材料力学性能的改善效果佳。
    (3)FTIR分析表明，碱处理大麻纤维将主要降低其中―OH的含量；乙酰化处理对酯化效果作用不大；偶联剂处理可使大麻纤维上的酯键增多，纤维与树脂之间的结合稳定性更高。