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文 | 薛铮铮aa

编辑 | 薛铮铮aa

前言

在材料科学领域，提高复合材料的力学性能和流变特性一直是研究的焦点。通过熔融共混法制备新型复合材料，将含有不同含量的木麻黄纤维负荷和聚乙烯接枝马来酸酐(PE-g-MA)进行混合。

在高温下，使材料充分熔融混合，使纤维和基体之间形成更好的界面结合，从而提高复合材料的力学性能和流变特性。

实验

首先，将黄麻纤维浸泡在6%的氢氧化钠溶液中，室温下处理3小时，以去除果胶和半纤维素。碱化处理后，纤维经过用充分流动的蒸馏水洗涤，并在室温下晾干48小时。

随后将纤维在52˚C ± 0.5˚C的沸腾丙酮中，与马来酸酐反应25小时，再把纤维在冷丙酮和蒸馏水中进行多次清洗。

而洗干净的纤维，会进行熔融混合处理，使用搅拌器，在容积为69 cm3、装有滚动刀片的混合室中，用170°C的温度进行制备复合材料。

此时，转子速度固定为50 rpm，混合时间为15分钟。在所有样品中，KF在混合前预热3分钟，样品制备分两个阶段进行。

第一阶段，将不同纤维负载重量百分比（10%、20%和30%）的HDPE，与UKF和TKF混合。

紧接着将不同重量百分比（4%、8%、12%和16%）的聚乙烯接枝马来酸酐（PE-g-MA），与第一阶段中，最佳含量的HDPE/UKF和HDPE/TKF混合。

当混合物制作完成时，研究人员会使用液压机对这些混合物进行压缩成型，方便在170°C下制备(1 ± 0.1) mm和(3 ± 0.1) mm厚的板材。

对于拉伸测试，名义样品厚度为(1 ± 0.1) mm，而冲击强度的名义厚度为(3 ± 0.1) mm。

然后研究人员用Physica MRC 301动态旋转流变仪,在应变控制模式下进行了聚合物的热性能测试，采用的是25毫米板状几何形状和51微米间隙尺寸。

并且通过控制间隙大小，使用TruGap感应传感器测量尺寸，分析考虑测量过程中，几何形状的尺寸变化。

一般来说，粘度是通过在170°C下使用剪切速率梯度，从0.05 s –1 到500 s–1进行动态模式频率，扫描的过程中获得了，为此研究人员记录了模量和复杂粘度。

而流变仪中使用的样品，是在150°C下经过15分钟的压缩成型的，并从这些样品中，切割出一个厚度为(1 ± 0.1) mm的样品。

因此，为了评估纤维和相容剂含量对复合材料力学性能的影响，研究人员进行了样品制备。

研究人员会按照ASTM-D 638和ASTM-D 256的程序制备样品，再用6051/0000规格的冲压模具，将所有拉伸测试样品切割成哑铃形状。

根据ASTM-D 638的程序，研究人员会使用电脑连接的通用拉伸试验机（型号5560），进行数据采集和拉伸测试。

当进行测试使用50 mm/min的升降速度和40 mm的标距时，研究人员会使用Tinius Olsen测试机（型号IT504）。

按ASTM-D 256的规定，必须采用45°的缺口角和2.54 mm的“V”缺口深度，来测定冲击强度，样品尺寸为63.5×12.7×3 mm³。每种组分别测试了十份复制样品，研究人员记录了平均数据和标准偏差。

从图中的观察结果可以看出，1730和1248 cm–1处的峰值数据，在经过碱处理的样品，和TKF中都消失了。这表明纤维表面的半纤维素和木质素被部分去除，木质素是把纤维束结合在一起的粘合剂。

而1048至1037 cm–1处的带状吸收被归属为纤维素、半纤维素和木质素中的C–O伸缩振动。888 cm–1处的小尖锐带状吸收，源于半纤维素和纤维素中，糖单位之间的β-葡萄糖苷键。

相比之下，TKF的光谱显示了马来化反应的证据，如1627和1037 cm–1处重要的酯键吸收带。

为此，研究人员会将未处理和处理过的复合材料，在170℃下，测出相容剂效应的动态剪切模量，并根据数据绘制了这些组合物的复杂黏度（η*）图。

从图中可以看出，混合物中的组分会影响弹性模量（G'）、损耗模量（G''）和η*的值，G'和G''的变化对应着的是，动态剪切过程中发生的能量变化，并且强烈依赖于混合体系中聚合物相接触的相互作用。

接着研究人员观察到未处理和处理过的复合材料，G'和G"值随频率增加而增加。HDPE/TKF共混物的剪切模量高于HDPE/UKF共混物，这表明聚合物处理后的纤维相互作用得到了增强。

同时，马来酸酐在HDPE-TKF相互作用界面之间形成了网络结构，增强了这些材料的弹性性能。与UKF复合材料相比，KF与HDPE之间的相互作用较差，并且组分之间的关联较弱。

在具有相容剂效应的样品中，通过聚合物-填料和填料-填料的相互作用形成了填料网络，使得复合材料具有最高的弹性模量。

图中还显示了所有样品的G'随频率的变化而产生依赖性；在低频下，所有样品的G'增加。也可以看出，共混物中的组分会影响弹性模量（G'）、损失模量（G''）和η*的值。

这些G'和G"的变化对应着动态剪切过程中发生的能量变化，并且强烈依赖于共混体系中聚合物之间的相互作用。

观察到未处理和处理过的复合材料中，G'和G"值随频率增加而增加，HDPE/TKF共混物的剪切模量高于HDPE/UKF共混物，这表明聚合物处理后的纤维相互作用得到了增强。

至于马来酸酐在HDPE-TKF相互作用界面之间形成的网络结构，则是增强了这些材料的弹性性能。

接着图中展示了所有复合材料的复杂黏度，且可以得知复杂黏度（η*）随着混合物中纤维含量的增加而增加，并随着频率的增加而减小。

这是由于混合物在熔融状态下表现出明显的切变稀化行为，这说明具有马来酸酐交联的配方，比没有马来酸酐交联的配方具有更高的η*。

为了研究KF负荷对复合材料力学性能的影响，将KF负荷（重量百分比）从0变化到30%，且在UKF和TKF负荷均在20%以下时，可以得出，随着UKF和TKF负荷的增加，抗拉强度和抗拉模量均增加，但在较高的纤维负荷下这些性能都会降低。

当KF添加到系统中达到20%时，抗拉性能略微下降，但之后抗拉强度和抗拉模量有规律地增加。因此，这种抗拉性能的提高是由于KF颗粒在基体中的分散作用。

如此能看出，最佳纤维负荷为20%，一旦在较高纤维负荷下，抗拉强度和抗拉模量会降低。

反之在高纤维负荷下，力学性能将会较低，其原因可能是复合材料中存在大量的纤维端部，这些端部可以引发裂纹，并有可能导致复合材料失效。这是因为纤维间的相互作用更加显著，有效地阻碍了应力从基体传递到纤维。

于是，纤维负荷对复合材料的冲击强度影响如图所示：与HDPE基体的冲击强度相比，纤维负荷增加了未经处理，和经过处理后复合材料的冲击强度。

可以看出，纤维的加入在复合材料中起到了增强作用，从而提高了冲击性能。

在KF含量从0%增加到20%时，黄麻复合材料的强度逐渐增加。纤维与基体之间的相互作用起到了良好的冲击改性作用，提高了复合材料的冲击强度。

这可能是由于存在具有韧性的KF纤维，并且系统中纤维-基体相互作用更好。

结果表明，KF能够吸收足够的能量来阻止纤维-基体界面的裂纹扩展，这意味着他们之间的相互作用足够强。由于对纤维表面进行了处理，HDPE基体与TKF的相容性要优于与UKF的相容性。

影响纤维增强复合材料力学性能的主要因素之一，是纤维与基体之间的粘附。使用相容剂可以增加粘附性，从而改善复合材料的力学性能。

随着PE-g-MA在复合材料中的含量增加，无论是UKF还是TKF，拉伸强度均有所提高。

与未处理的复合材料相比，所有经过处理的复合材料（20%纤维负荷），在相同重量百分比的纤维负荷下，表现出了较高的力学强度，这可以从图所示的测试结果中推断出来。

因此，黄麻-共聚物-HDPE之间的相互作用，将产生更均匀的混合物。根据对复合材料的观察，为了减少表面亲水性，纤维的表面应该涂覆上PE-g-MA，才能使PE-g-MA的马来酸酐基团与纤维的羟基基团形成酯键共价连接。

当非极性部分（PE）与HDPE基体相容时，降低了纤维的表面能量，从而增加了它们在基体中的分散性。从之前的实验中得出结论，用马来酸酐对纤维中的自由羟基进行马来化是一种有效的化学修饰方法，可以获得具有羧基的产品。

所以使用相容剂的时候，UKF复合材料的冲击强度低于TKF复合材料。与PE-g-MA添加到UKF复合材料中相比，把PE-g-MA从4%增加到12%后，TKF复合材料中会带来一些适度的性能改善。

这主要归因于存在较高极性基体，导致的界面粘附力增强，这可能与经过处理的纤维表面，有利地发生反应或相互作用。

先前的研究报告称，在两种不同聚合物类型之间，存在更好的界面粘附力，可以获得较高的冲击强度。

而HDPE/UKF混合物中，则出现了明显的KF颗粒，这些颗粒松散地嵌入在HDPE基体。

纤维与基体之间之所以会存在大量缝隙，是因为这是纤维的脱出所致。

这表明界面粘附力差，UKF在HDPE基体中的润湿不足，可能是由于纤维和基体之间表面能的巨大差异所致，导致这些混合物力学性能较低的主要原因。

相反，HDPE/TKF复合材料显示出改善的纤维-基体粘附力。

看图可知，TKF复合材料表面覆盖着一层基体材料，这有效减少了纤维和基体之间的缝隙。

由于马来酸酐改善了HDPE和KF之间的部分相容性，HDPE似乎与KF颗粒可以非常好地粘附在一起。因此，在拉伸断裂过程中，基体材料的层次也明显地随纤维一起被拉出，从而进一步证实了纤维和HDPE之间的内聚耦合关系。

可以清楚地看到，图中提取纤维的表面被一层基体覆盖，这种结构在混合物中添加了PE-g-MA后更加清晰细腻。

这可能是由于在PE-g-MA的存在下，纤维与HDPE之间的增强粘附力使混合物更均匀。

还观察到在拉伸断裂过程中，基体材料的层次也随着纤维一起被拉出，这进一步证实了添加PE-g-MA的纤维-HDPE之间的内聚耦合关系。

结论

通过添加PE-g-MA作为相容剂，成功研究了纤维处理和负载对HDPE/KF复合材料的影响，所有复合材料均采用熔融混合工艺成功制备。

20%纤维负载制备的复合材料，在未经处理和处理后的复合材料中，均表现出最佳的力学性能。处理后的复合材料比未经处理的复合材料，具有更优化的结果，并且PE-g-MA的存在起到了相容剂的作用，改善了填料与基体之间的相互作用。

使用熔融共混法制备复合材料，成功地提高了材料的拉伸强度和复合粘度。改善了纤维与基体之间的界面粘附性，并且增强了复合材料的相容性。

研究结果也指出，纤维负荷对复合材料力学性能有很大影响，对于未来的研究，可以进一步优化纤维负荷的比例，以获得更好的力学性能。