剑麻纤维聚丙烯类复合材料的制备及燃烧性能测试

黄雪秋

摘要：本文主要研究偶联处理后的剑麻纤维（SF）对聚丙烯的性能影响，以马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）作为界面相容剂，制备聚丙烯/剑麻纤维马来酸酐接枝聚丙烯（PP/ SF/PP-g-MAH）复合材料，考察不同SF的加入量对复合材料燃烧性能的影响。

关键词：剑麻纤维；聚丙烯；硅烷偶联剂；复合材料；性能

剑麻，是一种常见的龙舌草属植物。用天然纤维——剑麻增强PP材料有很好的优势。它符合材料向绿色化，可回收的要求。剑麻纤维（SF）可用来制造的地毯、内墙装饰、衬垫等。鉴于剑麻具有密度小、比强度和比模量高、价格低廉等优点，其作为复合材料中的增强材料将具有广泛的应用空间。剑麻纤维经过改性处理， 一方面提高了纤维素的含量和力学性能， 另一方面处理后的纤维表面积增加， 改善了纤维和树脂的界面. 利用处理纤维制备的复合材料的摩擦系数适中， 随温度波动小， 表明剑麻纤维可能可以代替石棉在摩擦材料中的应用[1]。一些实践表明，采用剑麻布作为抛光材料无论在效率或是效果上要明显优于普通棉布和化纤布类[2]。

由于剑麻纤维中存在大量羟基，具有亲水性，而大部分聚合物具有憎水性，不利于纤维与塑料基体的界面粘结[3]。聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）作为界面相容剂，与PP有着良好的相容性，可改善天然纤维与PP的相容性。

1.方案设计

本文选PP作为基体塑料，改性SF作为增强剂，PP-g-MAH作为界面增容剂。将SF通过碱和硅烷偶联剂表面处理后与PP、PP-g-MAH通过共混挤出，注塑等工艺得到PP/SF/PP-g-MAH复合体系。

2. 实验部分

2.1.偶联处理

将烘干的剑麻纤维用浓度5%的硅烷偶联剂和KH-55的乙醇制得的硅烷偶联剂溶液浸泡1.5h，然后用去离子水洗净，放在80℃的烘箱中烘至恒重。最后用剪刀将剑麻纤维剪成3mm至5mm的短纤维。

将剪好的剑麻纤维、PP、PP-g-MAH按照一定配方在高速混合机中混合均匀，备用。

2.2 挤出实验

依次接通挤出机的总电源和加热开关，设置各段温度如表3所示，待温度升至设定温度后，恒温半小时。

检查冷却系统和真空系统的气密性，打开水阀启动冷却系统，将备用的原料加入料筒中进行挤出造粒实验。其中喂料频率设置为46.8Hz，主机频率设置为8.0Hz 。将造好的粒料在温度设置为80℃ 的烘箱中烘干至恒重。将第一次挤出造粒得到的原料再在相同条件下进行第二次挤出造粒，最后将粒料在温度设置为80℃ 的烘箱中烘干至恒重，备用。

2.3 注塑成型实验

打开注塑机的电源开关，将注塑机各区温度设置如表4所示，启动加热，当温度到达设置温度后，恒温30min后，加料，设置注塑机为半自动，开始注塑成型。

将注塑好的样条在干燥环境中放置24h，得到剑麻纤维复合材料。

2.4 燃烧性能测试

本方法是采用水平的夹住试样的一端，对试样段施加规定的气体火焰，通过测试线性燃烧速度来评价试样的燃烧性能。

选取注塑样条尺寸长为125mm，宽为13mm，厚为3mm。在距离试样一端25mm和100mm处垂直于长轴画两条标线。将试样水平加持在试样夹上，试样与纵轴平行，与横轴倾斜45?，在下方放一水盘，点着本生灯并调节火焰，是灯管在垂直位置时火焰高度为20mm，将本生灯倾斜45?。打开电源，运行，通过“计时控制”按钮记录样条从第一条标线烧至第二条标线的时间。取三条样条的平均燃烧时间，根据下述公式计算燃烧速率。

3.讨论

由表7可知，随着剑麻纤维含量的增加PP复合材料的水平燃烧速度增加。PP属于易燃塑料，而剑麻纤维其体表面积比较小，也非常容易燃烧，且其燃烧速度要快于PP材料，所以随着改性SF含量的增加，其燃烧速度成增长趋势。若在SF改性方面考虑阻燃的性能，通过阻燃改性后将进一步拓宽其应用范围。

参考文献：

[1]梁小波，杨桂成，曾汉民.剑麻纤维增强复合材料的研究进展[J]，中山大学聚合物复合材料和功能材料教育部重点实验室，材料导报，2005，19（2）：63.

[2]XU Xin，CHENG Guangxu，LIU Feiqing.Modifying of sisal and frietion Performance of the sisal reinforcedresin composite，Acta Materiae Compositae Sinica ， 23（1）， 129（2006）.

[3]王璐琳，何莉萍，田永，屈伟平.表面处理对剑麻纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的影响[J]， 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，机械工程材料， 2008，，32（5）：58.