VARTM制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究

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VARTM 制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研

究

　　中图分类号：TQ327.8　文献标识码：APreparation　of　Jute　Fibers　Reinforced　Epoxy

　　 Resin　Composites　by　VARTM

　　 LI　Wei，HUANG　Hongyun 　，WU　Yongqing

　　（College　of　Materials　Science　and　Engineering 　，Hunan　

Univ，Changsha，Hunan410082，China）Abstract 　：In　this　research 　，the　jute　fibers　were　first　

treated　with　heating 　，alkali 　，silane　coupling　agent　and　isocyanate　respectively 　，then　the　jute　fibers

fabrics　were　treated　with　hot　pressing　process 　，and　finally 　，the　jute　fiber　reinforced　epoxy　resin　

composites　were　fabricated　with　VARTM　molding　process.　Scanning　Electron　Microscopy　（SEM 　）

analysis　shows　that　the　interface　bonding　of　jute　fibers　treated　with　heating　and　alkali　reinforced　epoxy

resin　composites　has　not　been　improved 　，but　the　interface　bonding　of　composites　has　been　

significantly　improved　with　the　jute　fibers　treated　with　silane　coupling　agent　and　isocyanate.　The　

hotpressing　process　can　not　only　increase　the　jute　fibers　volume　content　in　the　composites　but　also　

improve　the　performance　of　composites　by　the　jute　fibers　treated　in　advance　with　silane　coupling　agent

and　isocyanate.　The　mechanical　properties　of　the　composites　show　that　tensile　strength 　，modulus　and

flexural　strength　of　the　jute　fiber　treated　with　the　silane　coupling　agent　reinforced　composite　increase　

by　18.6% 　，71.4%　and　50.2% 　，respectively 　，and　the　tensile　strength 　，modulus　and　flexural　

strength　of　the　jute　fiber　treated　with　the　isocyanate　reinforced　composite　increase　by　16.3% 　，34.0%　

and　50.3% 　，respectively.

　　 Key　words：jute　fiber；composites；hot　pressing　process；silane　coupling　agent；isocyanate

　　麻纤维是一种天然植物纤维，具有价格低廉、可生物降解、优良的力学性能等优点.相比于

合成纤维，天然麻纤维具有更好的吸能效果，能制造出高性能的复合材料，可广泛地应用于汽

车制造工业[1-2].

　　麻纤维种类较多，常见的麻纤维有苎麻[3]、黄麻、亚麻等.黄麻是最廉价的天然纤维之

一，黄麻纤维纤维素质量分数约为 57%～60%，单纤细度为 15～18　μm，单纤长度为 1.5～5　

mm，因为单纤维短且长度参差不齐，故无法单纤维纺纱.黄麻纤维具有不规则的多边形混合截

面，吸湿性和透湿性较苎麻要高 2%～4.5%.其生物分解性好，初始弹性模量高，不起球，抗菌

能力优异，生产成本低，因此具有很好的市场应用前景.

　　湖南大学学报（自然科学版）2015 年第 12 期李伟等：VARTM 制备麻纤维增强环氧树脂

复合材料研究麻纤维由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和脂肪蜡质组成，不同麻纤维组成有

差别.麻纤维的主要成分为纤维素，纤维素分子结构中含有大量的羟基，故麻纤维表面极性较

大，表现出强的亲水性，容易从空气中吸收水份，导致麻纤维与基体材料的界面结合不佳.而且

天然麻纤维的大分子结晶度和取向度高，纤维外表面粗硬、无卷曲且勾结强度低.所以将麻纤维

作为树脂基复合材料的增强材料时，一般需要对麻纤维进行表面改性处理[1，3-5].　　　目前麻

纤维的表面改性处理主要有热处理、碱液处理[6]、硅烷偶联剂处理[7]、异氰酸酯处理[8]、等

离子体处理[9]等方式.通过表面改性可提高麻纤维的界面性能，改善纤维与基体树脂的润湿

性，使复合材料力学性能显著提升[10].将改性麻纤维用于树脂基复合材料的增强材料时可以获

得综合性能优良的树脂基复合材料[11].

　　环氧树脂是制造树脂基复合材料的一种常用的基体树脂，最常见的复合材料是玻璃纤维增

强环氧树脂基复合材料（玻璃钢）.虽然环氧树脂在树脂基复合材料中的使用成史已经比较悠

久，但是对环氧树脂基复合材料的研究仍然是当今的热点[12].作为一种基体树脂，环氧树脂具

有种类繁多、容易满足设计需求的优点，但也存在不导电、性脆等缺点，在制备环氧树脂基复

合材料时，有时也需要对树脂进行改性，从而获得其优异的性能[13].

　　真空辅助树脂传递模塑（VARTM）成型工艺是先进复合材料制造技术的主要发展方向之

一，现已广泛应用于船舰、航空、航天、汽车等领域.VARTM 工艺是先将增强材料放置于模腔

中，然后合模、抽真空排除模腔中的气体，再在一定的温度和压力下将液态树脂注入模腔内，

使之与增强纤维充分润湿，在一定温度下固化、后固化，最后经脱模得到复合材料制品.

　　本文以环氧树脂为基体，可生物降解的黄麻纤维作为增强材料，通过改变传统的工艺路

线，增加对黄麻纤维布进行热压工艺处理，该工艺不仅可以提高复合材料中麻纤维的体积分

数，而且对改善复合材料的力学性能有明显的效果，采用VARTM 工艺制备麻纤维增强环氧树

脂复合材料并进行了系统研究.

　　 1 实验过程

　　 1.1 黄麻纤维表面处理

　　热处理是将黄麻纤维放入鼓风干燥箱中，分别在 120　℃，150　℃和180　℃下处理 4　h，将麻

纤维取出后置于真空密封条件下保存备用.碱处理是将黄麻纤维布浸入（质量分数）2%的

NaOH 溶液中，于 60　℃下处理 4　h，再用去离子水洗涤至中性并在80　℃干燥.硅烷偶联剂处理

是将 KH550 配制成（质量分数）3%的乙醇溶液，然后把黄麻纤维布浸入溶液中 10　min，取出

纤维布放置在空气中 30　min，最后90　℃烘干.异氰酸酯处理是将黄麻纤维布放入异氰酸酯的丙

酮溶液中，以浓硫酸为催化剂，在 55　℃油浴加热反应5　h，取出用丙酮洗涤后 80　℃烘干.模具

和复合材料样品见图 1.

　　 1.2 黄麻纤维布的热压工艺

　　为了提高复合材料中麻纤维的含量，将表面处理的黄麻纤维布裁成190　mm×140　mm 的规

格，整齐叠放在平板热压机模具中，在 1　MPa 和100　℃条件下热压30　min.

　　图1模具和复合材料样品

　　 Fig.1Mould　and　composite　samples

　　 1.3 黄麻纤维布增强环氧树脂复合材料的制备

　　将黄麻纤维布剪裁成190　mm×140　mm 的规格并精确称量其质量后整齐铺放在VARTM 模

腔中，合模；模具一端导管连接真空泵，一端连接注射系统，中间部分接入压力表用来测量模

腔中的压力.通过抽真空排除模腔内的空气，然后将混合好的树脂注入模腔中；模腔注满后封住

连接真空泵的一端，继续注射，使模腔内的压力达到 1　MPa，然后封闭所有端口；将模具放入

烘箱中60　℃固化 20　h，脱模取出板材；将复合材料板在80　℃下固化 5　h.

　　 1.4 材料性能表征

　　采用FEI　QUANTA　200　扫描电镜观察复合材料断裂面的形态.黄麻纤维增强环氧树脂复合

材料按照 GB/T　1447-2005 和GB　1449-2005 进行切割并铣到规定的形状和尺寸，所以样品在

Instron3369 万能试验机上进行拉伸测试和三点弯曲测试.

　　 2 实验结果与讨论

　　 2.1 不同表面处理对复合材料断面形貌的影响

　　从未表面处理黄麻纤维复合材料断面SEM 图（图 2）可见，断裂面麻纤维拔出长度较大，

且纤维表面未粘有树脂，这充分说明黄麻纤维与基体树脂的界面结合非常差，将直接导致复合

材料的力学性能较低，所以欲获得良好界面粘结强度的复合材料必须对黄麻纤维进行表面改性

处理.

　　图2未表面处理黄麻纤维复合材料断面SEM 图

　　 Fig.2The　cross　section　SEM　microphotographs

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摘要：

VARTM制备麻纤维增强环氧树脂复合材料研究　　中图分类号：TQ327.8　文献标识码：APreparation　of　Jute　Fibers　Reinforced　Epoxy　　Resin　Composites　by　VARTM　　LI　Wei，HUANG　Hongyun　，WU　Yongqing　　（College　of　Materials　Science　and　Engineering　，Hunan　Univ，Changsha，Hunan410082，China）Abstract　：In　this　research　，the　jute　fibers　were　first　treated　...

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