文摘
属性cellulose-derived纤维表面处理非常敏感。许多研究研究了不同表面处理参数的影响在天然纤维改善fiber-matrix键;然而,工作仍需要协助发展更好的质量控制方法来使用这些更承载复合材料纤维。红麻纤维碱处理和表面形貌进行分析,以确定治疗时间的影响在天然纤维的活性位点。的力学行为特征,和拉伸试验报告增加61%强度和模量增加25%纤维治疗16个小时。拉伸性能的增加被认为是由于分子间相互作用,增加纤维素的结晶度,增加由XRD支持。另一方面,红外光谱和XPS显示所需的羟基fiber-matrix粘结在更长的治疗时间减少。
1。介绍
众所周知,许多植物性纤维表现出较高的机械性能和可能被认为有潜力取代一些合成复合强化1- - - - - -4]。与合成纤维、天然纤维是廉价的,低密度,每年可再生,碳中性,不会对工人健康危害(5,6]。然而,许多因素可以防止天然纤维显示他们的全部潜力由于resin-reinforcement不相容和表面杂质的存在。
疏水性层中发现的天然纤维,如木质素,不喜欢与大多数亲水性树脂。木质素是疏水性,显示纤维和树脂之间的粘附力差导致低biocomposites机械性能。典型结构最常见的组件在天然纤维、果胶、纤维素、半纤维素和木质素,如图1,2,3,4,分别。
化学处理一直是一个众所周知的方法用来清洁的表面纤维和删除不需要的组件,如蜡、果胶、半纤维素和木质素。这些材料的去除一直观察到帮助改善界面结合常用工业树脂(7]。此外,由于纤维素含量的增加,纤维拉伸性能也得到改善。然而,纤维素纤维纤维进行治疗的成功不仅取决于治疗的类型,但也对治疗参数,如时间、浓度和温度。
先前的研究已经表明硅烷等各种方法,碱、过氧化物,和异氰酸酯治疗影响天然纤维的性质(8,9]。这些方法,观察到一个最简单的,最经济和有效的治疗形式至少环境影响,使用氢氧化钠碱处理特别是碱化[10]。已经完成了大量的工作和碱处理天然纤维用于复合材料(11,12]。与温度有关的碱处理研究表明颤是如何影响与治疗温度(13]。温度升高时,发现纤维性颤动和移除noncellulose组件发生速度(13]。另一方面,如果温度过高,有可能恶化纤维素,导致纤维的力学性能降低。
文学也显示出不同的效果在天然纤维碱浓度和次碱化[14]。在一项研究中,黄麻纤维在两个不同的时间处理多个碱解决方案。作者报道了黄麻纤维模量增加79% (15]。另一组作者调查了不同碱处理时间和浓度是如何影响性能的印度草纤维(16]。SEM表明,纤维细大小碱化后,它可以增加纤维颤动的证据。另一方面,植物性纤维是相当难以衡量由于矛盾不同纤维直径。
增加40%的拉伸和冲击性能在碱处理印度grass-reinforced biocomposites。力学性能的增加被认为是导致更好的分散的细纤维,改善复合材料的强化能力。提高机械性能也认为由于增加羟基的存在在不同的处理时间和浓度。碱处理的影响自然纤维增强biocomposites的拉伸和冲击性能也研究了Suizu et al。11]。Suiza等人碱治疗单向苎麻纱线2小时15 wt %氢氧化钠溶液。捏造biocomposites使用可生物降解的热塑性树脂后,力学性能的增加ramie-reinforced biocomposites被观察到。假设影响和拉伸性能的增加是由于增强纤维和树脂之间的界面粘结(11]。
在另一项研究中,curaua纤维碱治疗2小时15 wt % 10 wt %或氢氧化钠溶液,用作强化热塑性矩阵(12]。尽管不同的复合加工方法进行了研究,biocomposites含有碱处理curaua纤维显示优越的拉伸性能比未经处理的curaua biocomposites。再一次,拉伸性能的增加被认为是由于纤维和基体之间的界面粘结的增加,这是导致去除木质素和其他不相容成分(12]。
大多数基于时间的研究通常表明更长的治疗时间带来更好的机械性能和增强纤维素接触(17]。然而,纤维也可以表现出较低的机械性能,如果治疗时间太长了。如前所述,天然纤维的机械性能和成分可以通过碱处理显著影响参数。不幸的是,治疗时间在许多天然纤维尚未广泛分析来确定治疗的持续时间影响形态、表面化学、和纤维结合为以后使用常见的树脂,如环氧树脂和聚酯。
因此,本研究的目的是探讨治疗时间如何影响表面变化,形态,在天然纤维,因此,结合能力。所有这些因素会严重影响使用天然纤维复合材料的有效性。例如,如果一个特定类型的纤维具有较高的力学性能,但网站用于成键的数量很低,治疗将被证明是无效的。由于复合材料的整体力学性能严重依赖于fiber-matrix粘连,提供手段增强界面结合是至关重要的。
在目前的研究中,韧皮红麻纤维碱处理氢氧化钠(氢氧化钠)的解决方案,和纤维特征使用红外光谱、XPS、XRD、SEM、英斯特朗拉力测试和描述结构性变化,结晶度、表面,分别和拉伸性能。洋麻植物被认为是杂草,因此,不需要太多照顾之前或在其增长。这也是相当抗病。因此,洋麻纤维是最昂贵的天然纤维之一,如果处理得当,扩张其在“绿色”作为强化和其他复合材料是可行的。纤维从茎中提取的植物,也被称为韧皮纤维。这种类型的纤维被用于纸张,家具,和纺织应用,治疗,它也可以用作强化复合结构。
2。材料和方法
2.1。治疗红麻纤维
红麻纤维(德克萨斯州南部洋麻产业、Raymondville TX,美国)治疗使用氢氧化钠。氢氧化钠溶液是由溶解氢氧化钠颗粒(费舍尔科学)去离子水组成7 wt %的氢氧化钠溶液。小束的红麻纤维被削减大约44毫米长度和碱溶液中浸泡。纤维由0.35 wt %的氢氧化钠溶液。纤维碱治疗0.5,1、2、4、8、16、24小时在室温下。治疗完成后,纤维在蒸馏水冲洗彻底,直到一个中立的pH值。纤维后来在80°C真空烘箱干24小时,以确保所有剩余水分被移除。碱处理的一个例子反应如图5。
2.2。减毒总Reflectance-Fourier变换红外光谱学(ATR-FTIR)
碱处理的影响洋麻纤维表面研究的那些时光红外光谱仪在使用Nicolet衰减全反射(ATR)模式。这种技术被用来研究碱处理时间韧皮红麻纤维的表面性质的影响。一般来说,这个方法是由把样本放在一个小晶体的折射率。红外光束的能量突出几微米晶体,在样品表面。被吸收的能量从样品的表面然后传递到红外探测器。钻石晶体,和64扫描分辨率为4厘米−1收集每个光谱。此外,ATR-FTIR光谱被用来确定碱处理时间的影响意味着在洋麻纤维氢键强度(MHBS)。MHBS是计算使用以下方程: 在哪里表示吸收羟基的伸缩振动在该地区位于~ 3300厘米−1波数,对应的吸收活动发生在烷基组为2980厘米−1波数(18]。
2.3。x射线光电子能谱(XPS)
XPS是用于研究的表面元素成分碱处理后洋麻。这种技术是使用表面科学仪器(SSI) M-Probe光谱仪使用55°的入射角,95%的信号从哪里来的深度3 x(非弹性平均自由程)x(55°)的罪。样品受到低收入和高分辨率的扫描。扫描进行了调查,以确定哪些元素。感兴趣的山峰是碳和氧,其结合能出现在~ ~ 290 - 270和540 - 520 eV范围,分别。使用这个方法,水平的氧碳比的变化(O: C)被认为是一个迹象的存在或去除半纤维素和木质素。Casa软件被用来分析感兴趣的山峰。Casa处理软件提供了光谱和成像数据的分析技术。
2.4。扫描电子显微镜
未经处理的表面和碱处理洋麻纤维进行了研究使用Jeol地产5800扫描电子显微镜与加速电压15千伏。纤维与非盟气急败坏的说/ Pd成像前5分钟。样本气急败坏的使用由Anatech悍马6.2溅射涂布机有限公司,帮助消除充电在样品上成像。
2.5。红麻纤维束的拉伸试验
红麻纤维束的力学行为是英斯特朗5566型材料测试系统使用一个特点。处理和未经处理的红麻纤维被置于室保持在ASTM 71°F (21°C)条件和65% RH前72小时测试。标本是由安装包在纸上标签和获得建议的包胶带和胶水。洋麻包进行测试使用一个有效的衡量30毫米的长度。原纤维束的直径测定使用光学显微镜。100 n负荷细胞,纤维4%的速度/分钟紧张。Bluehill软件(版本1.2)被用来分析数据。至少20标本检测每个治疗时间。
2.6。x射线衍射
利用x射线衍射确定洋麻纤维的碱处理对形态的影响。XRD进行了使用Rigaku天涯衍射仪与铜Kα检测器,以确定是否有任何影响晶体的顺序在碱处理后的纤维在不同治疗时期。样本扫描在5°/分钟在10 - 80°(2的范围θ使用步长为0.2°),20千伏的电压和电流20 mA。
3所示。结果与讨论
3.1。碱处理对纤维表面的功能
图6化学功能的变化,显示了在未经处理和碱处理红麻纤维ATR-FTIR光谱治疗时间。这是观察到的吸收峰~ 1730厘米−1波数在收到基洋麻纤维消失在30分钟后治疗。删除此羰基峰对应的移除从羧酸盐(羧基)组或(首席运营官)在果胶酯联系19]。假设这个峰值属于羧酸盐或酯果胶联系,因为室温使用7 wt %氢氧化钠溶液治疗可能是无法去除大量的半纤维素在30分钟内。吸收峰位于~ 1600厘米−1波数随着碱处理时间的增加明显降低。这个吸收被认为属于C = C债券或芳香债券从木质素和是一个迹象表明更多的木质素被碱化的长度增加(20.]。
吸收峰的强度位于~ 1040厘米−1波数也观察到随着治疗时间的增加减少。这种变化可能是减少吸收的信号从c哦或碳碳伸展运动组主要在半纤维素和/或纤维素(19]。吸收带的发现~ 3300厘米−1波数被认为属于hydroxyl-stretching振动的半纤维素和/或纤维素以及吸收水分。
根据光谱,羟基(-哦)组的峰值~ 3300厘米−1波数最高的纤维治疗30分钟。这是预期由于一些木质素被移除。人们认为木质素被移除后,曝光半纤维素和纤维素的羟基增加。羟基最终的强度与碱处理时间减少。结果表明,羟基的伸缩振动继续减少治疗时间增加到16个小时,这是预期由于增加半纤维素的降解。经过16个小时的治疗,很少变化的观察-哦。自纤维素相当耐碱性液,最少的活动发生在这些时期可能是一个迹象,表明大部分纤维素表面出现。
平均氢键强度(MHBS)是在所有治疗时间计算出纤维。图7显示在MHBS碱处理时间的影响。根据情节在图7,未经处理的洋麻纤维MHBS最高。随着治疗时间的增加,MHBS强度降低,最显著的减少发生在30分钟和4个小时之间。8至24小时,MHBS继续逐渐减少。洋麻碱治疗MHBS急剧减少的治疗时间短,确认最重要的变化发生的结果去除木质素和半纤维素。这一事实MHBS是未经处理的纤维是最高的预期。木质素已经知道形成强氢键与半纤维素,纤维素和果胶,这是一个迹象表明为什么MHBS最高治疗洋麻纤维(21]。然而,如前所述,碱处理可以去除木质素和半纤维素与纤维素破坏氢键形成肿胀的纤维细胞(22]。氢键被破坏,减少在MHBS洋麻纤维与增加治疗时间。
3.2。XPS分析碱处理的纤维表面
在XPS表面扫描,分析氧和碳的主要元素。如前所述,所有天然纤维由半纤维素、纤维素、果胶和木质素。然而,天然纤维的主要特性的差异是由于不同浓度的这些成分。半纤维素和果胶多糖,而纤维素是一种糖分子。因此,碳和氧主要弥补这些特殊的纤维层的结构。在某些情况下,然而,据报道,半纤维素可能包含一些氮原子在它的结构23]。另一点要注意的是,木素主要是由碳氢化合物和被认为是高度芳香或高度不饱和。出于这个原因,木质素有望拥有一个非常低的O: C比值。
氧气和二氧化碳的变化区域与这些元素显示在相关数据8和9分别对所有碱治疗。根据数据中的数据8和9的山峰与氧和碳的存在大幅波动强度和宽宏大量。由于方差,峰值比率研究收集定量的信息关于如何治疗的长度影响红麻纤维的表面化学。
分析数据的曲线下面积进行测量和计算O: C在每个治疗时间比率。这些数据展示在表1。根据表中的数据1,收到基纤维包含一个O: C ~ 0.87的比率。治疗前30分钟后,O: C比率显示明显减少至0.49后,几乎1:1 O: C比率为1小时的治疗。低O: C比观察到治疗后30分钟可以归因于果胶的删除和增加木质素纤维表面的接触。果胶是一种复杂的结构,它包含许多羟基和羧基组。当氢氧化钠添加果胶,糖可能分解和去除,导致暴露的木质素。O: C比值介于1和4小时高于30分钟,但最终减少和出现一些常数0.79治疗16至24小时。这个常数趋势可能标志着增加纤维素的曝光,这是相当耐氢氧化钠处理。
3.3。扫描电镜的未经处理和碱处理红麻纤维
碱处理的影响红麻纤维表面的数据显示为扫描电镜显微照片10 ()和10 (f)。根据图10 (),未经处理的洋麻纤维洋麻纤维表面含有大量的不必要的杂质。在30分钟(图10 (b)看来,碱处理),它是成功清除表面污染物。随着治疗时间的增加超过2小时(图10 (c)),观察表面粗糙度增加。这被认为是导致恶化的木质素和半纤维素,本质上的组件绑定个人纤维成束形成纤维。减少数量的原纤维束(通常被称为颤)被认为导致增加暴露更多的纤维表面活性纤维素组。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
随着治疗时间的临近24小时(数字10 (e)和10 (f)),更多的证据在观察纤维表面破损或损坏。很可能一些纤维充分放松,内表面,由半纤维素和木质素和纤维素纤维,被曝光。根据这些观察,治疗洋麻纤维超过24小时后自动将破坏纤维,力学性能下降会被注意到。相反,可能出现在洋麻纤维表面裂缝可能的证据更多纤维颤动的去除半纤维素。
3.4。碱处理红麻纤维的力学性能评价
数据(11日)和11 (b)碱处理时间的影响的节目拉应力和模,分别对红麻纤维。根据图(11日)拉应力增加,随着治疗时间的增加从195.4 MPa为控制上限314.9 MPa在16小时。当治疗24小时,纤维束的拉伸应力下降到226.2 MPa。从统计分析证实,治疗后的抗拉强度明显高于洋麻纤维8小时。
(一)
(b)
碱处理的影响红麻纤维的杨氏模量图所示11 (b)。控制纤维的模量是21.1的绩点。然而,平均绩点18.1和20.9之间的模量波动GPa治疗30分钟和4小时。然而,最终模量增加随着治疗时间的增加超过4个小时。刚度的下降可能是由于观察到30分钟去除木质素,在纤维的刚性组件。红麻纤维模量的增加超过4小时治疗被认为是归因于纤维素结晶度的增加。
3.5。碱处理时间对形态和纤维素结晶度的影响
纤维素是唯一的纤维成分以晶体的形式存在,因为它是唯一的线性和常规分子在纤维的结晶。图12显示了碱处理对应用基和碱对红麻纤维的结晶度。因为红麻纤维被认为是更多的水晶,XRD用来证实了基于时间的碱处理对纤维素的结晶度的影响。根据图12主峰的x射线衍射图的兴趣是纤维素的结晶峰,位于22°~ 2θ。是决定晶体点阵平面位于002方向。根据衍射条纹,结晶纤维素的峰值不显示治疗时间不同的显著变化。半宽度(应用)计算的峰值属于结晶纤维素得到更好的表示变化的治疗结果。
通常,较小的应用价值较高的纤维代表材料中观察到晶体的内容,因为这意味着尖锐或窄峰值。以前的工作表明,应用可以提供信息关于纤维素微晶尺寸的(24,25]。根据表2,应用值随着治疗时间的增加而减少。这表明纤维素晶体含量增加的数量随着治疗时间的增加和支持洋麻纤维拉伸性能改善的证据。以前的工作报道,结晶度的增加可能是由于范德华增加和相邻分子之间氢键的结果增加了交互中的羟基纤维素(26]。另一方面,结晶度的增加可能是由无定形部分的去除碱处理的纤维。
4所示。结论
碱处理时间对表面化学,形态,结合在韧皮红麻纤维进行了研究。ATR-FTIR光谱、XPS和SEM表明,表面上最重要的化学变化发生在30分钟和4小时的治疗;然而,纤维治疗16小时显示最重要的抗拉强度增加。
扫描电镜显微照片说明碱处理成功地将表面蜡和不必要的杂质。ATR-FTIR光谱显示逐渐变化符合半纤维素和木质素的去除。16小时的碱处理后,表面化学没有显示任何根据ATR-FTIR光谱和XPS显著变化。较高的时候,内表面被公开为更多的材料被移除。XPS和ATR-FTIR光谱还显示,在纤维表面羟基的数量随着治疗时间的增加而减少。这表明有一个可用的网站数量的减少之间的氢键在洋麻治疗8 - 24小时内根据XPS和2到24小时内根据ATR-FTIR MHBS计算光谱。
碱treated-kenaf纤维拉伸性能最高的显示在16小时的治疗;然而,使用这组纤维在复合最终导致可怜的属性。Fiber-resin键是最大的因素,影响复合材料的力学性能。自从发现更长的治疗时间导致更少的表面羟基洋麻纤维表面,所需的网站fiber-matrix键减少,导致力学性能下降导致biocomposites。
人们认为治疗韧皮红麻纤维2 - 4小时将最好的工作作为强化复合材料,因为纤维的力学性能略高,和更多的羟基纤维素可用在树脂与兼容的官能团。最后,当把天然纤维作为复合强化,有必要建立一个适当的平衡之间的纤维产量将增加的力学性能和纤维,将提供最佳的结合。
确认
作者要感谢NSF阿拉巴马州EPSCoR和渴望资金以及查克泰勒在德克萨斯州南部洋麻产业提供红麻纤维。NSF阿拉巴马州EPSCoR格兰特,阿拉巴马州高等教育委员会(疼痛)。