红麻韧皮Fibers-Part II:无机纳米聚合物复合材料的浸渍

文摘

本研究的目的是调查一个无机纳米颗粒浸渍(INI)技术来提高红麻韧皮纤维和聚烯烃矩阵之间的兼容性。扫描电子显微镜(SEM)被用来检查INI-treated纤维的表面形态显示CaCO₃纳米晶体生长在纤维表面。能量色散x射线能谱(EDS)被用来验证CaCO₃纳米颗粒沉积在纤维表面。个人的纤维进行了张力测试,结果表明,纤维的抗拉强度显著增加INI治疗后(超过20%)。聚合物复合材料制造使用INI-treated纤维强化和聚丙烯(PP)的矩阵。结果表明,INI治疗改善了红麻纤维和聚丙烯矩阵之间的兼容性。复合材料的拉伸模量和抗拉强度钢筋与INI-treated纤维增加了25.9%和10.4%,分别比钢筋与未经处理的红麻纤维。

1。介绍

木质纤维素的纤维是一种可再生、可生物降解的天然聚合物已被用于各种各样的应用程序,如纺织、纸浆和纸张等等。近年来,已经有越来越兴趣利用天然纤维取代合成玻璃或碳纤维制造片状模塑料(SMC)复合材料汽车结构部件的设计。天然纤维是重量轻,经济和环保。然而,在处理木质纤维素的纤维增强聚合物复合材料,以下问题应得到解决。天然纤维的细胞壁结构包含了许多作用。如果使用化学制浆过程,创建额外的微孔隙会因为一些天然纤维中木质素和半纤维素的(1]。这些细胞壁结构的微孔隙的存在可能导致复合材料制造缺陷,如界面失败和空气的口袋。纤维表面之间的兼容性和聚合物基质的主要问题木质纤维素的纤维增强聚合物复合材料加工(2- - - - - -5]。据报道在本系列的第一篇论文(6],红麻纤维ret使用碱性溶液到一个密封的过程已经可怜的兼容性与聚丙烯(PP)矩阵导致分层的复合材料。常见的方式来提高纤维素天然纤维和聚合物之间的相容性矩阵是使用耦合剂(7]。然而,也有机耦合剂通常是昂贵的和引起环境问题。之前的研究表明,纤维表面沉积纳米颗粒作为成核网站发起熔融聚合物基质的晶体取向(8]。因此,一个适当的过程引入纳米颗粒在纤维表面作为吸引力操纵者聚烯烃矩阵有潜力改善聚合物的结晶形成矩阵。由于复合材料的力学性能强烈依赖于增强纤维和基质之间的附着力,应增强复合材料的属性(9]。

商业纳米粒子直接浸渍到微孔纤维细胞壁结构的自然纤维是困难和昂贵的。无机纳米粒子的浸渍(INI)过程在这项研究中,主盐、Na₂有限公司₃和二次离子盐CaCl₂,连续浸渍纤维细胞壁的作用。的两种化学物质在一定的温度和压力条件下,反应和CaCO的无机纳米粒子₃形成。描述的化学反应如下: INI技术已用于纸浆,纸,表面涂层行业(10]。INI在纸浆和纸张的主要目的是为了提高报纸的印刷适性。无机纳米粒子加载到细胞壁和表面上可以提供很强的静电引力非极性聚合物表面(11),因此纤维和聚合物矩阵之间的兼容性可能得到改善。这些nanoparticle-impregnated纤维可以很容易地整合到现有的生产工艺,使纤维复合产品表。无机纳米粒子的浸渍纤维细胞壁的微孔结构可以减少纤维的微孔体积,以及降低复合材料制造过程中气泡的形成。这个过程是低成本(使用廉价的离子盐),几乎没有环境问题(弱化学解决方案使用和可以重用),和简单(无机纳米粒子直接形成)。产品可能用作车辆组件由于其轻,力学性能好,环境友好。

在这项研究中,密封的碱性的红麻韧皮纤维受潮湿腐烂过程进一步INI处理流程。本研究的目标是优化INI红麻韧皮纤维的过程和评估房地产的潜力提高红麻fiber-PP复合材料。

2。材料和方法

2.1。材料

洋麻杆是来自密歇根州立大学北农场。分离后的洋麻纤维核心和韧皮,韧皮是切成50.8毫米长度和干的含水率7.4%至103°C。氢氧化钠(氢氧化钠)溶液与氢氧化钠(5%,w / v)准备珠子(实验室等级,热费希尔科学Inc .)和蒸馏水作为消化剂。冰醋酸(17.4 N,摄政年级,热费希尔科学Inc .)被用作pH中和剂。碳酸钠(Na₂有限公司₃)(0.1 mol / L)水溶液和氯化钙(CaCl₂)水溶液(0.1 mol / L和0.2 mol / L),分别用蒸馏水。提供的氯化钙和碳酸钠费舍尔科学有限公司聚丙烯(PP)电影(面向CO-EX聚丙烯),提供的塑料供应商,Inc .达拉斯德克萨斯州,美国,被用来制造红麻纤维/ PP复合材料。

2.2。INI治疗

治疗上的流程图描述图的细节1(5,12,13]。红麻韧皮ret和5%氢氧化钠溶液(纤维:氢氧化钠溶液= 1:30 g / mL)在与外界隔绝的反应堆(帕尔仪器有限公司251)160°C。浸水过程花了一个小时,是辅助机械搅拌。自的蒸汽压为0.60 MPa。浸水过程后,沤麻液的pH值和ret使用醋酸纤维调整到7.0。中和纤维是用水洗去除纤维的化学物质。这些纤维被用作控制纤维。控制纤维和0.1 mol / L Na₂有限公司₃水溶液(纤维:解决方案= 5:400 g / mL)与机械密封的反应器中混合搅拌在70°C自蒸汽压为0.1 MPa 30分钟。过度的主要离子解决方案被撤红麻纤维由重力。二次离子解决方案是用来浸透纤维在三种不同温度下和自发的蒸汽压力(100°C, 0.15 MPa;130°C, 0.30 MPa, 160°C, 0.70 MPa) 15分钟。钠的摩尔比控制₂有限公司₃对CaCl₂1:1和1:2 CaCl的浓度₂解决方案,0.1 mol / L或0.2 mol / L。三个温度和相应的压力提供了一个共有六个INI治疗条件。两个离子浸渍后的解决方案,主盐离子(Na₂有限公司₃)与二次离子盐反应(CaCl₂生成CaCO)的红麻韧皮纤维₃纳米颗粒的微孔纤维细胞壁结构的纳米晶体可能会在纤维表面。浸渍纤维去除多余CaCO洗₃粒子和其他离子在纤维表面。

2.3。测定CaCO₃加载

CaCO百分比₃加载纤维的计算是基于灰的不同内容之间的未经处理的纤维和INI-treated纤维。灰分是由燃烧材料在400°C的马弗炉第一30分钟,然后在850°C的45分钟。

2.4。INI-Treated纤维的特性

表面形态,单个纤维的拉伸性能,表面硬度和弹性模量的纤维在相同的检查程序描述在本系列的第一篇论文6]。元素进行了测定使用力量Quantax 200 X闪电能量色散X射线谱仪(EDS)系统(LN2-free高速30毫米²SDD探测器)。

2.5。复合材料制造

复合材料是用一个片状模塑料制作的过程。控制纤维和INI-treated红麻纤维被剧烈的机械搅拌分散在水中。纤维悬浮液注入一个355毫米×355毫米框箱,然后通过一个屏幕(网35),纤维的床单形成水流向下的引力。纤维表干在烤箱设定在80°C。纤维床单和PP膜切成15.2厘米×15.2厘米的尺寸和层压或者。PP重量比的纤维复合材料面板50:50。层压垫压在200°C和0.7 MPa为2.5分钟。压力是没有公布,直到滚筒冷却到室温。红麻纤维/ PP板被移除的媒体和存储在一个与硅胶干燥器前两天准备机械测试标本。三个板制作为每一个公式。 The density of all of the kenaf fiber/PP composites (including the control fibers reinforced and INI-treated fibers-reinforced composites) was 0.88 ± 0.03 g/cm³。

2.6。复合材料拉伸性能测试

INI-treated纤维/聚丙烯复合材料的拉伸性能和控制纤维(未经处理的纤维)英斯特朗5869 / PP复合材料进行了(负载细胞50 kN)。十字头扩展被当作标本变形。复合材料样本保存在干燥器拉伸试验前一周。的程序称为ASTM 1037。十字头的速度在张力测试为2.5毫米/分钟。9复制的每个复合配方进行了测试。多重比较的结果是与费雪的最小二乘法进行的使用SAS 9.2软件(SAS研究所有限公司数控、美国)。样本的断裂表面观察到使用扫描电子显微镜(SEM、蔡司上TM 40)。

3所示。结果与讨论

3.1。碳酸钙加载

表1显示了加载CaCO的百分比₃在纤维。每个标本检查两次,误差小于0.1%。纤维在130°C (Na₂有限公司₃对CaCl₂= 1:1、摩尔:摩尔)CaCO最高₃装载。尽管CaCO的负荷百分比的差异₃在浸渍变量没有超过1%,CaCO少量增加₃纳米颗粒负载可能导致显著改变纤维的表面特征自粒子浸渍在纳米尺度和高的比表面积。少量的CaCO₃纳米颗粒可能会给一个大的表面积,这可能产生重大影响纤维和聚合物之间的界面相容性矩阵。

3.2。表面形貌和元素的决心

图2显示了纤维表面的SEM图像INI对待。随着温度的增加,无机纳米颗粒的大小增加,表明温度CaCO的形成中发挥了重要作用₃晶体。CaCO的大小₃纳米颗粒在纤维在100°C和130°C小于90纳米。然而,一些CaCO₃粒子在160°C (Na生成₂有限公司₃:CaCl₂= 1:1、摩尔:摩尔)增长到一个直径在纳米级。

EDS光谱和元素地图数据所示3和4。光谱中,钙(Ca),碳(C)和氧(O)表明CaCO检测到₃纳米颗粒存在于纤维。钙可能存在钙离子(Ca^{2 +})与氯^{- - - - - -}离子或CaCO₃分子。因为,钠(Na)和氯EDX (Cl)被检测到。因此,只能存在于CaCO钙₃。这个证据证实Na之间的反应₂有限公司₃和CaCl₂发生在INI过程和CaCO₃合成了。副产品,氯化钠,INI治疗后会被冲洗掉。黄金的山峰(Au)和钯(Pd)来自标本SEM和EDS涂层处理。

3.3。表面硬度和弹性模量

表2显示了INI-treated纤维的表面硬度和弹性模量。

纤维在130°C (0.30 MPa)产生了52.6 - -76.9%增加模量和硬度增加了47.0 - -59.1%。提高硬度和模量特性被发现的其他INI治疗纤维也较未经处理的纤维。木质纤维素的纤维的细胞壁的作用被CaCO填满₃粒子,提高纤维素纤维之间的应力传递产生更高的硬度和模量。更高的硬度和模量性质的变化被发现在表2。这可能是因为,一些CaCO压痕测试₃,而其他的纤维。此外,部分纤维本身的变化在不同的位置也会导致硬度和模量的变化特性。

3.4。单个纤维的拉伸性能

单个纤维的拉伸性能如表所示3。

表3显示了INI-treated和未经处理的纤维拉伸性能比较。结果表明,INI治疗提高了拉伸性能。而拉伸模量的改善并没有显示统计不同(),纤维的抗拉强度显著增加INI后治疗。抗拉强度增加了27%(从810 MPa 1032 MPa)得到的纤维在160°C (Na₂有限公司₃:CaCl₂= 1:2,摩尔:摩尔)。抗拉强度的改善应该归因于CaCO的浸渍₃颗粒在纤维细胞壁,增加纤维的密度,减少纤维的缺陷填充作用。的CaCO₃粒子的纤维也帮助纤维素纤维之间的应力传递,产生整体抗拉强度提高。

3.5。INI治疗纤维/聚丙烯复合材料的拉伸性能

的拉伸强度和拉伸模量INI治疗纤维/ PP复合材料如表所示4。

对于大多数的治疗条件,与INI-treated纤维增强PP复合材料拉伸强度和拉伸模量有所改善。除了纤维在100°C (Na₂有限公司₃:CaCl₂= 1:1、摩尔:摩尔),显著改善抗拉强度被发现对于所有其他组合。INI治疗条件(100°C, Na₂有限公司₃:CaCl₂= 1:2,摩尔:摩尔)显示,最佳加固效果与其他条件相比,抗拉强度增加约10.4%。在抗拉强度上无显著差异被发现在六个INI治疗条件。

的改善复合材料的拉伸模量与INI治疗条件。INI治疗显著增加拉伸模量组合。与纤维的复合材料增强治疗在160°C (Na₂有限公司₃:CaCl₂= 1:1、摩尔:摩尔)给拉伸模量最高,25.9%高于钢筋与未经处理的纤维。

典型的INI-treated纤维/ PP复合材料的应力-应变曲线如图所示5。因为负载被纤维减少随着应变的增加(14),复合材料的拉伸行为动力塑性变形,应力-应变曲线的斜坡成为小随着应变的增加。INI-treated红麻纤维在复合材料的位错可能发生在一个比未经处理的纤维因为CaCO更高的负载₃粒子之间的兼容性修改红麻纤维和聚丙烯矩阵。因此,应力-应变曲线的初始斜率较高INI-treated纤维/ PP复合材料比未经处理的纤维/ PP复合材料,和伸长INI-treated纤维/ PP复合材料均高于未经处理的纤维/ PP复合材料。

红麻纤维的力学性能改善/ PP复合材料应归因于改善纤维和PP基体之间的界面粘结。图6显示了纤维的断裂表面的SEM图像与INI-treated纤维/ PP复合材料(两个治疗条件)和未经处理的纤维。纤维撤离显然是在复合材料的断裂表面未经处理的纤维(图6(一))表明未经处理的纤维之间的界面相容性差和PP。然而,与INI-treated纤维复合材料,观察同步失败。INI-treated纤维和PP基体之间的界面相容性改善与控制样本,表明强纤维和聚丙烯矩阵之间的附着力。这可能推断,无机纳米颗粒沉积在纤维表面的成核网站启动水晶周围的半结晶聚合物基质纤维的形成。

4所示。结论

无机纳米粒子(CaCO₃)成功浸渍到红麻韧皮纤维。从SEM图像,纳米颗粒在纤维表面沉积明显观察到。INI治疗(130°C)纤维的表面硬度增加了52.6 - -76.9%和47.0 - -59.1%的弹性模量。纤维在160°C与INI流程产生了抗拉强度提高了27%。浸渍的无机纳米粒子提高纤维之间的兼容性和人民党矩阵,从而导致的拉伸模量和抗拉强度的增加红麻纤维/ PP复合材料。基于当前的实验室条件,INI治疗条件包括(1)130°C, 1: 1 (Na₂有限公司₃:CaCl₂摩尔,摩尔),(2)160°C, 1: 1 (Na₂有限公司₃:CaCl₂摩尔,摩尔),(3)160°C, 1: 2 (Na₂有限公司₃:CaCl₂,摩尔:摩尔)生产的最佳红麻纤维的最佳强化效果增强PP复合材料与INI-treated页。(160°C, 1: 1)纤维显示,抗拉强度提高了10.4%和25.9%的拉伸模量相比钢筋与未经处理的纤维。

确认

研究工作由能源部(DOE)支持,资金没有。362000 - 060803年通过先进的车载系统中心(骑士)密西西比州立大学和美国国家科学基金会(NSF)资助。CMMI0928641 09080796。王博士给出应答以北的帮助与数据分析,Sangyeob Lee博士项目的参与,当他在密西西比州立大学做博士后,和农业部林服务研究站南部路易斯安那,洛杉矶,美国和竹子和藤的国际中心,北京,中国的工具支持。手稿被批准出版的森林和野生动物研究中心(FWRC),密西西比州立大学。FWRC出版物。FP609。

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