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ISSN: 2321 - 6212
机械工程系,大学技术马来西亚国家石油公司,32610年三星依斯干达,马来西亚
收到的日期:11/04/2018;接受日期:30/04/2018;发布日期:07/05/2018
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000217
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天然纤维素纤维提取露兜树tectorius(螺丝松)叶子用碱和alkali-bleach治疗相结合。提取工艺参数对产量的影响内容和力学性能进行了评价。优化的工艺参数是用于制造纤维素纤维的复合使用真空树脂灌注(VRI)技术。screw-pine叶的化学成分的确定在不同阶段alkali-bleach治疗相结合。结构分析是由傅里叶变换红外光谱(FTIR)。分析形态结构和纤维素纤维复合材料的抗拉强度是通过扫描电子显微镜(SEM)和通用压机。结果表明,结合alkali-bleach治疗4后NaClO2 wt. % 8 wt. %的氢氧化钠碱治疗导致最优组合,特别是当浸泡120分钟。然而,再浸泡时间破坏纤维结构引起的。工艺参数影响化学性质,产生内容和纤维素纤维复合材料的抗拉强度。纤维含量50 wt. %达到的最大抗拉强度与28 wt. %复合纤维素纤维复合纤维素纤维复合材料的增强。 The VRI techniques improved the aspect ratio of the cellulose fiber composite after production. The SEM micrograph showed the fibrils of cellulose fiber composite and its deformation. Analysis was carried out to investigate the bonding quality of the cellulose fiber and matrix. As a comparison, a control sample of unfilled epoxy matrix was fabricated
露兜树tectorius纤维,化学性能,机械性能,热性能,扫描电镜
制造生物质聚合物复合材料获得了从近几十年来研究人员和制造商的吸引力日益增长的关注环境保护、枯竭的化石资源和欲望来消除或减少石化消耗和减轻污染(1- - - - - -3]。生物质纤维素纤维复合材料广泛应用在品种具有可控特性可能替代合成聚合物复合材料对环境不友好,有一些健康问题由于有毒性质(4,5]。获得不同类型的生物质纤维,植物性非木材纤维展示了巨大的应用潜力在聚合物复合使用从小规模产业大规模的汽车产业2,6,7]。
露兜树tectorius(螺丝松)属于Pandanaceous家庭拥有超过600种已知物种。这种植物可以长到14米高,居住在红树林,在浅水区8]。树叶都是传统的用于制造绳索、垫子和帽子由于他们非凡的力量;他们适用于其他国内的应用程序(9]。然而,只有少数研究screw-pine叶子,虽然他们是著名的和广泛应用于亚洲地区10,11]。
在一个相关的研究中,成功从screw-pine树叶中提取纤维素纤维纳米晶体的形式结构,利用化学手段(10]。然而,这项研究并没有探讨纳米晶体的应用复合制造。因此,的有效性提取未确定的。同样,Haafiz et al。1]研究了微晶纤维素(MCC)加载对形态的影响,产生的热物性参数和力学性能从油棕聚乳酸(PLA)复合材料生物质。结果表明:杨氏模量增加了约30%,而复合材料的拉伸强度和断裂伸长率下降与MCC。在工作Deesoruth et al。12)进行调查的环氧树脂真空注入screw-pine纤维玻璃纤维复合材料是一种现实的选择。从全面的测试结果,碱处理的纤维复合材料承受载荷比未经处理的纤维复合材料在5、10和15%(重量)纤维载荷。疲劳试验还证实,结果更好,当复合材料是由纤维治疗。
在另一个的努力,当地水葫芦的特点(WH)纤维和复合材料,包括混合WH纤维和不饱和聚酯(UPR)研究了Hairul等。结果表明,7%氢氧化钠,1小时,WH纤维提供了更好的治疗在UPR基复合材料力学性能的比较与其他碱浓度。从扫描电镜(SEM)观察,一些未经处理的WH纤维拔出的矩阵观察显然在断裂表面复合材料(13]。亚麻纤维聚合物矩阵(纳米添加剂)复合材料组合使用与处理和未经处理的纤维表面。天然纤维的化学结构和矩阵的相容性材料进行测试,以确定合成聚合物复合材料的可复制性。结果得出结论,纤维素亚麻纤维表现出更高的抗拉强度,屈服比合成纤维相比,内容和方面。然而,nano-additive对收益率的影响不良内容(14]。其他几个研究已经进行了使用天然纤维的提取直接代替传统的合成聚合物复合材料,(2,4,5,15,16)然而,在大多数的研究涉及他们的发现不同的生物质纤维(植物、动物和矿物)和工艺参数(浸泡时间、化学成分、重量百分比分数,混合分数、温度等)。在大部分的调查,许多的研究观察纤维的形式提取单一纤维素和纤维素复合加工。非常少的尝试是由漫长而持久的连续纤维素纤维的提取。高宽比影响纤维产量和内容机械积极力量,然而,没有多少研究已经进行了纤维素纤维复合应用在高分子行业。
本研究从露兜树中提取纤维素微纤维tectorius(螺丝松)使用化学技术(结合alkali-bleach治疗),而纤维素纤维复合材料的制备进行了真空树脂灌注(VRI)技术。然后微原纤维特征评估过程的参数产生的影响内容和力学性能的聚合物复合材料在工程中的应用。未经处理的化学成分,对纤维素和纤维素复合化学测定分析。螺丝松叶的形态学和纤维素微纤维被扫描电子显微镜(SEM)研究。结构变化显示了一组光谱使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)的方法。抗拉强度测试(TST)进行了单纤维素处理后纤维结合alkali-bleach和纤维素纤维复合材料测量样本。
材料
在这项研究中使用的主要材料露兜树tectorius(螺丝松)树叶纤维素纤维的主要来源。与化学纤维提取意味着用碱处理和纤维素与漂白后,获得高质量的百分比。从当地商店获得的螺丝松树叶在河口Kangsar,马来西亚。所有的流程都认为没有显著影响结构和纤维的化学成分。
化学试剂
所有化学药品和试剂使用质量标准,从一个有信誉的供应商购买。碱处理涉及氢氧化钠(氢氧化钠)稀释至所需浓度的2 - 10 wt. % 2的增量wt. %浓度。在漂白过程中,亚氯酸钠(NaClO2)使用和从粉末溶解到溶液1、2和3 wt. %浓度。在确定的纤维素含量提取的纤维,使用一些化学物质如重铬酸钾(K2Cr2O7)、铁(II)硫酸铵(Fe (NH4)2(所以4)2•6小时2O)、硫酸(H2所以4),氢氧化钠(氢氧化钠)。每个化学准备根据纸浆和造纸行业的技术协会(TAPPI)标准T203。基于纤维素的制造中使用的环氧聚合物复合EpoxAmite®与硬化剂100层压系统,102年中等硬化剂。
提取过程
露兜树tectorius(螺丝松)树叶收获,切割和清洗用蒸馏水和干在阳光下彻底24小时。然后,切成12厘米,宽3厘米条并相应地重。每一条大约是0.3 - -0.35克。树叶受到alkali-bleach治疗相结合提高纤维素纤维产生内容。
纤维处理2 wt. %直到10 wt. %的氢氧化钠水溶液在200°C 60 - 120分钟,分别。叶子比酒是5:300 (g / mL)。树叶是每次治疗后用蒸馏水洗净,直到碱度迹象。随后纤维干在阳光下3天。选择纤维提取最佳碱和结合alkali-bleach治疗进一步采用复合材料制造。
制造连续纤维素纤维(CCF)
真空树脂灌注方法是利用连续提取的纤维素纤维。只有碱治疗和联合alkali-bleach治疗纤维从优化提取参数用于纤维素纤维复合材料的制造。相应的纤维素纤维被放在片面在模具上面涂了一层蜡,以避免纤维堆积在脱模过程中模具。纤维素纤维是垂直对齐和排列成三层有不同的安排。的安排,避免纤维,降低孔隙度之间的差距。剥落的高渗透介质厚度和分布网是在纤维的表面。全会被关在真空装袋电影和密封剂密封胶带。环氧树脂是32注入硬化剂的组装与环氧树脂的比例在真空压力下10:3 (w / w)。复合固化在70°C的4小时内烤箱和自然冷却到室温。复合脱模。
表征和度量
傅里叶变换红外(ir)分析执行珀金埃尔默1600红外光谱仪,4000 - 500厘米1光谱范围;样本和分析专有KBr分束器。傅立叶变换红外光谱样本,记录下那些时光阿凡达380 100热Nicolet扫描,3厘米的决议1。Nicolet OMNIC 5.01软件被用于确定透光率峰值在特定波数。形态学观察到的样本使用蔡司DSM 950扫描电子显微镜(SEM)。样品表面被涂上一层黄金以避免充电。SEM是在25凯文。spa - 300高压原子力显微镜SPI 3800控制器是用于执行未经处理的CF的AFM观察分析和治疗ccf复合样品尺寸(0.1毫米x 0.1毫米)。
ASTM 3039标准用于确定提取的纤维素纤维复合材料的抗拉强度。样品的尺寸是230毫米x 16毫米x 1.6毫米。伸长计计量长度与2毫米/分钟50 mm常数十字头的速度。进行了测试使用茨威格/ Roell Z005万能试验机5 kN细胞负载。复合是通过一组夹紧机械弹簧和机械曲折挑刺。所有测试在55%相对湿度,温度大约23°C。
傅立叶变换红外光谱分析
聚合物复合材料的相互作用和相行为被广泛研究使用傅立叶变换红外光谱分析技术(1,13,17]。典型的红外光谱谱未经处理的纤维素纤维,纤维素纤维治疗,而结合alkali-bleach碱纤维素纤维所示图1。碱处理,同样观察到在许多木质纤维素纤维,表现出一种诱导变异在纤维的理化性质(18]。然而,结合alkali-bleach治疗显示一些变化据称由于完全去除半纤维素和木质纤维素纤维。主要的峰出现在3525厘米1和1650厘米−1这代表non-aromatic根。峰的强度急剧下降约3500厘米1对合并后的碱处理的纤维可能与完全去除半纤维素(18]。未经处理的纤维素纤维的强度降低约1450厘米1C = O带延伸的第二个高峰。类似于结合治疗碱纤维素纤维。山峰的起源可以归因于羰基的半纤维素组包含在木质纤维素聚合物的组件。
图1:红外光谱谱screw-pine纤维(a)未经处理的纤维素纤维;(b)治疗碱纤维素纤维和纤维素纤维(c)结合alkali-bleach治疗。垂直虚线代表纤维素和半纤维素的特征峰。
C-O-H乐队伸展在1100厘米−1酚组的显示特征,然而在1550厘米1拉伸特征乐队与木质素在木头是什么渠道1]。疲软的强度C = O和C-O-H乐队组合碱治疗CF可以追溯到完整切除微原纤维中的半纤维素和木质素的树叶。未经处理的木质纤维素的特性CF和碱治疗CF纤维有能力消除25%的半纤维素和44%的木质素。小峰范围1850 - 1450厘米−1主要代表了官能团通常来自木质素。他们可能来自纤维素和半纤维素即峰值在650 cm - 15]。
形态学分析
复合材料的断裂表面的SEM观察分析失败的机制和不同组件之间的交互自力学性能取决于聚合物/填料的相互作用。断裂的横断面的扫描电镜表面未经处理的纤维素纤维,纤维素纤维治疗,而结合alkali-bleach碱纤维素纤维复合材料所示图2 - 4。
图2:SEM fracturedsurface未经处理的纤维素纤维复合Fiber-Matrix)裂缝的形成(200 x放大)b)空孔的纤维(500 x放大)。
图3:断裂表面的SEM显微图处理碱纤维素纤维复合fiber-matrix键(500 x放大))裂纹形成b)空孔的纤维。
图4:断裂表面的扫描电子显微图的组合Alkali-Bleach对待Mengkuang纤维素纤维复合(500 x放大)。
未经处理的纤维素纤维复合材料:微观结构观察显示缺乏纤维拔出测试期间。这意味着贫穷粘结纤维和基质由于穷人之间由于存在胶结材料(木质素和半纤维素)的纤维。未经处理的纤维素纤维的显微图所示图2 a和2 b。里观察裂纹重叠,空缺空白孔描绘可怜的结合。
此外,纤维周围的小裂缝还表示可怜的纤维和基体之间的相互作用由于胶结物质的。深孔也观察到在切除纤维在拉伸试验。然而,在基质表面没有裂纹检测。这可能说明有效的载荷分布和传输矩阵(19]。
碱处理后的纤维素纤维复合:图3显示了选定的断裂表面的微观结构治疗碱纤维素纤维复合材料。一块结构填料形成中观察到图3;这可以追溯到纯screw-pine空心结构的纤维。环氧树脂注入和渗透到空心结构。可见在分离和差距图3一扩大在图3 b。
纤维和环氧树脂之间的差距表示可怜的结合。一个好的复合抗拉强度高,需要一个好的matrix-fiber界面债券这样的有效应力转移矩阵可以实现纤维(20.]。的显微照片图3 b还展示了几个小孔,在制造中空缺虽然大部分充满了环氧树脂的纤维结构。孔隙度和空隙度的组合创造了一个实力较弱的组合。然而,没有发现裂纹在基体表面。这是一个指示的有效载荷分布和传输矩阵(20.]。
结合alkali-bleach处理纤维素纤维复合:图4显示断裂表面结合alkalibleach综合治疗。没有矩形和块结构的碱处理复合结构是广泛的半纤维素和木质素去除由于结合alkali-bleach治疗中观察到图4。纤维和基体之间的界面粘结相对强劲,光滑的表面观察无漏洞。尽管如此,仍有存在的小孔观察纤维,空缺的环氧树脂中演示图4 a和4 b。然而大多数的环氧树脂湿胎治疗纤维的表面积。碱处理的孔隙空间小于纤维复合材料。到目前为止,alkali-bleach治疗的结合提高了fiber-matrix的互动与结合。因此,产生一个高强度复合。
SEM结果与抗弯测试结果一致。类似的观察日期棕榈纤维和热塑性淀粉复合材料也被报道(21)进行碱处理的天然纤维部分半纤维素和木质素的去除bio-composite捏造。
机械性能
碱处理:样品都是受到拉应力测试包括控制环氧树脂100%的样品。所有其他样本包含15 wt. %纤维素纤维的聚合物复合材料。图5显示了碱处理对纤维聚合物复合材料。结果表明,处理后的纤维素纤维的抗拉强度随着氢氧化钠浓度和浸泡时间的增加而减少,除了2 wt. %氢氧化钠的浓度。抗拉强度2 wt. %的氢氧化钠处理纤维素纤维相比略有增加3 - 4%的未经处理的纤维素纤维。抗拉强度520 MPa和515 MPa治疗后在60到120分钟,分别。抗拉强度的增加可能是由于结晶度指数增加,存储密度,分子取向的纤维素和删除非结晶体材料(21]。纤维的抗拉强度持续下降随着氢氧化钠浓度的增加超过2 wt. %。最低抗拉强度268 MPa,纤维素纤维治疗10 wt. %氢氧化钠。浸泡时间对处理后的纤维素纤维的抗拉强度被发现更明显的氢氧化钠浓度更高,即8和10 wt. %。浸泡时间长导致纤维素纤维的抗拉强度明显降低相比,浸泡60分钟。纤维素纤维的抗拉强度的差异在8 wt. % 60和120分钟氢氧化钠为20%以上。
图5:纤维素纤维的抗拉强度处理不同的氢氧化钠浓度和浸泡时间
结合碱和漂白治疗:图6和6 b说明了结合alkali-bleach治疗对纤维素纤维的影响。结果显示的最高拉伸强度测定纤维素纤维碱治疗2 wt. %氢氧化钠为60分钟,然后在2 wt. % NaClO漂白260分钟。
图6:NaClO的影响2浓度和浸泡时间对纤维素纤维的抗拉强度(a)在2 wt. %氢氧化钠碱治疗60分钟。
图6 b:NaClO的影响2浓度和浸泡时间对纤维素纤维的抗拉强度。(b)碱治疗2 wt. %氢氧化钠为120分钟。
抗拉强度483 MPa。然而,价值低于7%,如果没有漂白治疗。增加漂白的浓度和浸泡时间没有改善纤维素纤维的抗拉强度。尽管如此,漂白2 wt. % 60分钟的治疗碱纤维素纤维在2 wt. %氢氧化钠120分钟显示巨大的纤维素纤维抗拉强度增加。
值为722 MPa记录,如图所示图6 b相比,增量44%未经处理的纤维素纤维。这实际上代表了最高的抗拉强度可以实现碱和alkali-bleach治疗相结合。因此,2 wt. %氢氧化钠治疗120分钟,随后在2 wt. % NaClO漂白260分钟,被视为最佳提取参数screw-pine叶,产生了对纤维素纤维的抗拉强度最高(22- - - - - -26]。
纤维素纤维复合:图7显示对比的平均抗拉强度控制样本,治疗和治疗纤维素纤维复合材料。纤维素纤维复合材料用组合alkali-bleach治疗纤维抗拉强度最高。联合alkali-bleach纤维素纤维复合材料显示,40%更高的抗拉强度比未经处理的纤维素纤维复合35岁2.8 MPa。碱处理后的纤维素纤维复合材料相比,抗拉强度高15%未经处理的纤维素纤维复合材料。然而,未经处理的纤维素纤维的抗拉强度低于空缺复合5%由于fiber-matrix键之间的附着力差。制造纤维素纤维聚合物复合材料与其他相关研究文献中给出表1。
图7:选中的纤维素纤维复合材料的平均抗拉强度
表1。一些天然纤维增强聚合物的力学性能
| 复合 | 过程 | 纤维比例(%) | 抗拉强度(MPa) | 参考 |
|---|---|---|---|---|
| 短和随机 | 手糊和压缩成型方法 | 14.6 vol. % 13.7 vol. % 13.1 vol. % |
22.4 23.0 27.9 |
[22] [23] [24] |
| 竹子+不饱和聚酯树脂 黄麻+不饱和聚酯树脂 洋麻+不饱和聚酯树脂 |
||||
| 连续和单向 | VRI VRI 手糊 手糊 |
14 vol. % 14 vol. % 10 vol. % 30 vol. % |
45 55 58 124年 |
当前的研究 当前的研究 [25] [26] |
| 碱处理screw-pine纤维环氧树脂 Alkali-Bleached对待screw-pine fiber-epoxy 红麻纤维/环氧树脂 红麻纤维/环氧树脂 |
比较短,随机组合,连续和单向纤维增强复合材料所示表1。通常,短和随机复合材料含有一半的连续的强度和单向复合材料即22 MPa之间复合抗拉强度范围。而连续和单向纤维增强复合材料,为纤维抗拉强度约为58 MPa分数在10 - 15%之间。连续的复合材料拉伸强度和单向纤维可以增加多达124 MPa时纤维分数翻倍到30 vol. %。结果为当前的研究表明碱治疗纤维复合达到抗拉强度45 MPa和联合alkali-bleach治疗纤维复合达到55 MPa的抗拉强度(11]。因此意味着screw-pine增强纤维复合材料可以是一个很好的替代天然纤维复合材料的填料。
碱处理的影响,结合alkali-bleach screw-pine微原纤维的纤维素纤维力学性能和产量研究内容。形态分析上执行的每个治疗表明,化学纤维样品浓度和浸泡时间对纤维具有巨大的影响。当化学浓度增加和浸泡时间的延长,高纤维素比例。然而,粗化纤维的观察,特别是在小学纤维由于杂质的去除物质。增加NaClO2浓度和浸泡去颤发生引起的。尽管如此,它是一个完全去除半纤维素和木质素的指示器。然而,screw-pine叶子的结构及其微原纤维开始扭曲的漂白工艺参数在浓度和浸泡时间的增加,同样的缺陷和孔隙度水平增加。因此增加了工艺参数会导致更高比例的纤维素纤维,但也破坏了纤维素纤维结构。因此,应该选择最佳提取工艺参数,确保平滑纤维表面胶凝材料(免费)和完整的微原纤维结构。最优参数发生在2 wt %氢氧化钠浓度和2 wt % NaClO2。迄今为止,天然纤维复合材料可以代替合成复合材料的非经济的工程应用和发展无公害友好。
本文的研究报告是由基础研究支持格兰特(FRG-UTP)大学技术马来西亚国家石油公司。这种支持是感激地承认。
