研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
1孟加拉国库什蒂亚伊斯兰大学应用科学与技术学院应用化学与化学技术系
收到:11月17日接受:12月28日
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采用压缩模压法制备了秋葵皮纤维(OBF)增强热固性酚醛(PF)树脂复合材料。为了找到更好的填料和基体的润湿性，用NaOH处理OBF。通过力学试验、热法和吸水性研究了复合材料的性能。复合材料的抗拉强度(TS)、杨氏模量(YM)、拉伸伸长率、抗弯强度(FS)和抗弯模量等力学性能随NaOH浓度、处理时间和纤维载荷的变化而变化。随着重量分数的增加，纤维负荷在30%以上时，TS和FS呈先上升后下降的趋势，而YM、FM和拉伸伸长率呈上升趋势。经10%碱处理的纤维复合材料的TS比未处理的纤维复合材料高21%，FS比未处理的纤维复合材料高85%。处理后的纤维复合材料也表现出较好的热稳定性和较低的吸水性
OBF-PF树脂复合材料，碱处理，力学性能，热重分析
环保意识的增强正在鼓励科学研究生产更便宜、更环保、更可持续的包装和建筑材料。天然纤维增强热塑性复合材料坚固、坚硬、重量轻、可回收，具有满足这一要求的潜力。然而，在两千多种含纤维植物中，具有经济价值的较少。由于天然纤维如剑麻、黄麻、大麻、亚麻、香蕉、PALF、椰子、棕榈等的低成本、低密度和优异的机械性能，是很有前途的聚合物复合材料增强材料。1-4]。秋葵(Abelmoschus esculentus)韧皮纤维(OBF)是目前被认为是农业废弃物的优质纤维。OBF的化学成分为60-70% α-纤维素、15-20%半纤维素、5-10%木质素、3-5%果胶、脂肪等[5]。虽然它含有较高百分比的纤维素，但它可能具有与热塑性塑料/热固性树脂制成优质复合材料的潜力。然而，OBF良好的力学性能尚未成功地转移到热塑性复合材料中。6]。热塑性复合材料虽然具有可回收性，但其加工温度过高。在复合材料制造过程中，纤维经常会发生降解。另一方面，热固性树脂具有良好的尺寸稳定性，易于制造，并且限制吸湿性。但在文献中没有发现热固性材料用于制造OBF的报道。因此，本研究选择了短OBF和热固性酚醛树脂。
短纤维/热固性复合材料的手工铺层和压缩成型工艺是一种熟练和经济的工艺。7]。在压缩成型中，纤维均匀分布在对复合材料性能最重要的基体上。此外，纤维含量、纤维长度、空隙率、纤维-基体结合等是天然纤维增强复合材料的重要参数[j]。8]。复合材料中空洞的存在降低了其力学性能。再一次，弱界面极大地降低了离轴强度，弯曲强度和压缩强度。界面强度的增加导致短纤维复合材料的抗拉强度和模量的大幅增加。由于纤维和基体的化学性质不同，因此需要在其界面处具有很强的附着力，以便在整个界面中有效地传递应力和键的分布。Weyenberg等。[4]报道碱处理亚麻纤维能改善复合材料的界面结合。碱处理可以去除杂质，产生粗糙的表面形貌。此外，碱处理导致纤维纤颤，即将纤维束分解成更小的纤维。这增加了可被基质树脂润湿的有效表面积。因此，增大纤维长径比可以改善纤维与基体界面的粘附性，提高材料的力学性能。在目前的研究中，主要目的是确定OBF在PF树脂基体中作为增强材料的适用性。系统地研究了复合材料的力学和热性能随纤维负荷和碱处理的变化规律。
秋葵植物采集自孟加拉国库什蒂亚当地的农田。以秋葵为原料，经15 ~ 20 d的水浸提取纤维。OBF被切成2-3毫米的长度。PF树脂购自印度孟买Abelin Polymers有限公司。给出了OBF和PF树脂的性能表1。
表1:原料特性
短OBF用1- 15wt %的NaOH水溶液(溶液:纤维重量比50:1)在30°C下处理1、5和10小时。处理后的纤维用水、稀乙酸溶液和pH达7的蒸馏水洗涤。然后将纤维在室内风干，并在50°C的烤箱中干燥3小时。
不同重量分数(10、20、30和40 wt%)的短干OBF首先与PF树脂在不锈钢封闭模具中彻底混合。将脱模剂PAT 607/PCM喷在实验室组织上，均匀涂抹在模具表面。复合材料采用不锈钢模具，在150°C和50KN压力下制成。室温恒压10kn，固化24h。拉伸(尺寸:148.4 mm × 19.7 mm × 4.1 mm)和弯曲(尺寸:79 mm × 10 mm × 4.1 mm)试验用切割机制作。
拉伸试验根据ASTM D 638-01使用通用试验机(Hounsfield UTM 10KN)进行。试验以5毫米/分钟的十字速度进行。根据弯曲性能标准方法(ASTM D790-98)，使用Hounsfield UTM 10KN对复合材料进行三点弯曲试验。弯曲试验速度设置为5 mm/min。所有结果取10个样本的平均值。根据ASTM D 570-99使用冷水和热水进行吸水试验。试验持续时间为24小时。
拉伸试验根据ASTM D 638-01使用通用试验机(Hounsfield UTM 10KN)进行。试验以5毫米/分钟的十字速度进行。根据弯曲性能标准方法(ASTM D790-98)，使用Hounsfield UTM 10KN对复合材料进行三点弯曲试验。弯曲试验速度设置为5 mm/min。所有结果取10个样本的平均值。根据ASTM D 570-99使用冷水和热水进行吸水试验。试验持续时间为24小时。
本文给出了PF树脂、处理过和未处理过的OBF复合材料的力学性能(TS、YM、拉伸伸长率、FS和FM)与纤维载荷的关系表2。复合材料的TS和FS随纤维负荷的增加而增加，最大可达30 wt%。30wt %填充的OBF复合材料的TS、YM、拉伸伸长率、FS和FM分别比未增强的PF树脂高95%、168%、200%、111%和159%。这种行为主要归因于纤维的增强作用，导致从连续聚合物基体到分散纤维相的均匀应力分布。然而，观察到纤维负荷在30 wt%后随着纤维负荷的增加，TS和FS都恶化了。高纤维载荷下力学性能的下降可能是由于纤维在基体内的不相容性，这促进了界面处微裂纹的形成以及由于纤维在基体中的团聚而导致的不均匀应力传递[9]。相反，YM和FM随着纤维负荷的增加而增加，如图表2。这可能是由于与非晶区相比，晶体具有更高的模量，并且可以增加复合材料的模量贡献。拉伸伸长率也随着纤维负荷的增加而增加。由于OBF具有较高的抗拉伸长率，断裂伸长率随纤维含量的增加而增加。
表2:纤维载荷对未处理纤维复合材料力学性能的影响
研究了碱处理纤维复合材料的TS、YM、拉伸伸长率、FS和FM随NaOH浓度和处理时间的变化规律表3。从表中可以看出，复合材料的TS、YM、拉伸伸长率、FS和FM随着NaOH浓度从1%增加到10%而增加。10wt% NaOH处理1h后，TS、YM、拉伸伸长率、FS和FM分别比未处理的纤维复合材料增加21%、29%、119%、85%和6%。碱浓度越高，纤维的半纤维素含量越高，纤维表面粗糙度越大。碱处理后纤维表面变得粗糙，与基体的联锁性更好。Gassan等人也报道了类似的调查。[10]。然而，在很高的碱浓度(15%)和较长的处理时间(5和10h)下，复合材料的机械强度会下降。这可能是由于长时间处理纤维素链断裂以及高浓度碱，导致纤维强度损失。
表3:NaOH对30wt%纤维负载复合材料力学性能的影响
将PF树脂和OBF-PF树脂复合材料分别置于冷水(20°C)和热水(50°C)中24h。水通过毛细作用沿纤维基体界面扩散穿过复合材料，然后从界面扩散到体树脂中[11]。这导致了界面处剪切应力的发展，从而导致复合材料的脱粘、分层和结构完整性的丧失[12]。复合材料的吸水程度见表4。然而，与未处理的OBF复合材料相比，在相同条件下，纤维负荷为30%的OBF复合材料的吸水率较低。这种现象可能是由于基质内纤维的有效润湿性，减少了界面空隙中的水积聚。
表4:PF树脂、未处理和处理的OBF-PF树脂复合材料(30 wt%) 24h后的吸水率
给出了未加工的酚醛树脂、未加工的和处理过的OBF复合材料的热重(TG)曲线图1。PF树脂的曲线表明，在390℃时发生首次分解，在490℃时几乎100%分解。相反，TG曲线显示纤维掺入后的酚醛树脂基体热稳定性相对较低。在340和358°C时，未处理和处理(图1) OBF复合物，对应OBF的降解。轻微的降解可能是由于脱氢纤维素的降解。对比360°C时的重量损失，未处理的OBF复合材料的重量损失约为40%，处理后的OBF复合材料的重量损失为26.2%。这表明经过处理的OBF复合材料具有更高的热稳定性，从而证实了由于酯键的形成，纤维和基体之间存在分子间键。
图1:(A) PF树脂，(B)未处理(30 wt%) OBF-PF树脂复合材料和(C) 10% NaOH处理(30 wt%) OBF-PF树脂复合材料的TG曲线
研究了酚醛树脂- obf复合材料的力学性能。结果表明，当纤维负载率为30%时制备的复合材料具有最佳的机械强度。碱处理OBF复合材料(含10% NaOH 1h)的力学性能较高。碱处理后的复合材料比未处理的OBF-PF树脂复合材料具有更好的吸水性和热性能。虽然OBF复合材料的热稳定性低于原酚醛树脂，但其TS和FS较高。因此，OBF可作为热塑性复合材料的潜在填料。
作者感谢孟加拉国达卡的BCSIR主席允许使用他们的实验室。
