疏水级香蕉(穆萨这种）树皮纤维对等立方聚丙烯的物理机械性质

摘要

研究了碱处理(NaOH和KMnO)的物理力学和形态性能₄)和未经处理的香蕉皮纤维(BBF)增强聚丙烯复合材料。利用傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和机械性能测试(拉伸强度、弯曲强度和显微硬度)对材料进行了详细的结构和形貌表征。化学处理提高了纤维的疏水性能，其中KMnO的疏水性能较好₄治疗。0、5、10和15重量的复合材料。然后比较负荷的水分吸收研究，发现KMnO₄经处理的纤维复合材料比其他材料吸水少。KMnO₄复合材料的抗拉强度、抗弯强度和显微硬度均高于原纤维和NaOH纤维。TGA分析还表明，起始温度为400~500℃，与香蕉纤维组分木质素、纤维素和半纤维素的分解有关，表明香蕉纤维具有较好的热机械稳定性。所有数值表明15% KMnO₄结果表明，处理后的香蕉皮纤维(BBF)/PP复合材料的性能优于原纤维和NaOH处理后的复合材料。

1.介绍

近年来，复合材料的使用增加了许多倍。其原因在于其用途广泛、制备简便、系统环保、机械性能和使用性能的改善以及成本低廉。聚合物基复合材料是一种应用广泛的复合材料。这些聚合物基体通常用合成纤维(玻璃纤维、碳纤维和芳纶)和天然纤维(剑麻、黄麻、亚麻等)增强。这些聚合物基复合材料(PMCs)不仅用于工业、汽车、船舶和结构应用，而且被证明具有高强度重量比、易于制造、形状复杂、成本低、耐腐蚀和抗海洋污染的优点[1,2］．合成纤维基复合材料由于其高分子质量和疏水特性，不易降解。与人工纤维增强复合材料相比，天然纤维增强复合材料具有强度低、界面粘接差、吸湿性差等缺点。天然纤维对水分特别敏感，因为纤维/基体界面是复合材料长期性能的关键区域[3.］．化学处理是一种基本的加工参数，以减少纤维的亲水性质，从而改善与基质的粘附性。纤维预处理改变其结构和表面形态。通过不同化学品的作用从纤维中除去亲水性羟基。通过使用不同的化学处理报告复合材料的机械性能的显着改善（NaOH，KMno₄等)，以达到纤维与基体之间良好的附着力[4］．在这些纤维处理后，观察到半纤维素、果胶、木质素和蜡的去除和纤维粗糙度的增加[4]除了机械联锁[5］．化学处理过的纤维增强复合材料显示出机械性能的显着改善[6］．研究表明，NaOH处理后的椰壳纤维比SLS处理后的椰壳纤维具有更好的力学性能。在这两种情况下，纤维都用环氧树脂增强[7］．结果表明，NaOH处理后的剑麻纤维增强复合材料的拉伸强度和弯曲强度均高于未处理的剑麻纤维增强复合材料[8］．采用高锰酸钾对天然纤维进行高锰酸钾处理₄)在丙酮溶液中。这种处理增强了界面上的化学联锁，并提供了与基体更好的附着力(Akash等。9])。它还与木质素(亲水的AOH基团)成分反应，并从纤维细胞壁分离，从而导致纤维的亲水性质降低[10］．

在孟加拉国，香蕉被大量种植。香蕉纤维可以很容易地从假茎中获得果实和叶子，也可以从植物本身的树皮中获得。像黄麻、剑麻和大麻等其他天然纤维一样，香蕉纤维也被用作补强材料。Venkateshwaran等人[11- - - - - -13研究了香蕉/环氧复合材料的拉伸和弯曲强度，并进行了冲击和吸水试验。研究了碱和硫酸十二烷基钠处理对香蕉/红麻杂化复合材料和机织杂化复合材料的影响。

目前的研究活动已转向开发“性价比”而不是“高性能”热塑性复合材料。由于成本效益还取决于原材料成本，大多数被认为是具有“成本效益”市场的具有吸引力的候选复合材料系统是基于e-玻璃纤维和树脂，如聚丙烯(PP)、聚酰胺-6,6 (pa -6,6)、聚对苯二甲酸乙酯(PET)或聚对苯二甲酸丁酯(PBT) [14］．在这些PP中，提供了许多有利的特性作为复合材料的大容量应用的基质材料。它表现出许多有益的性质，如低价格，高韧性，低密度，相对高的热稳定性，良好（DI）电性能，以及耐化学性[15］．此外，PP易于加工和回收，可获得大量等级。考虑到这些因素，我们的目标是制备一种以PP为基础的化学处理香蕉纤维增强复合材料。化学处理的目的是改善纤维的疏水特性，并在纤维和疏水基体之间提供更好的增强。

2.材料和方法

2．1．香蕉纤维的制备

从不同种类的香蕉植物的树皮中采集香蕉纤维穆萨这种(Sagor Kala)来自科松大厅地区。纤维约30厘米长。当香蕉成熟后，植物的树皮被切成小块，分开的层被捆扎在一起。这些包裹被装在两个不同的桶里，放在淡水里20天。然后将堆肥与水混合，再保存5天。树皮腐烂后，将树皮从桶中取出，用水彻底清洗几次，并在户外晾干，不暴露在阳光下。将干纤维浸泡在每升水6.5 g洗涤剂溶液中，在70-75°C的烧杯中浸泡30分钟，去除脏物质和粘稠物质等杂质。纤维与溶液的比例为1:50(按重量计算)。用蒸馏水彻底洗净，去除杂质，在50℃烘箱中干燥20分钟，露天干燥24小时，保存在干燥器中。

2．2.去除处理和未处理香蕉纤维中的水分

处理过和未处理过的香蕉纤维在50°C的烤箱中保存3小时以去除水分。这样做是为了更好的样品制备和去除复合材料中的不良气泡。生BBF, 0.055% KMnO₄采用7.5% NaOH处理的BBF和7.5% NaOH处理的BBF制备了不同组成的BBF/PP复合材料。

2．3.从聚丙烯中去除水分

用于制备复合材料的商用聚丙烯是等规聚丙烯，结晶度介于低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)之间。商业等规聚丙烯的熔点范围为160 ~ 166°C。将聚合物在电炉中在80°C下干燥3小时，以便更好地制备样品。干燥是通过去除所有的水和液体保存物质的过程。聚合物的水分去除是必须的，以确保最终样品没有不需要的气泡。

2.4。复合颗粒制备

将PP和BBF粉按比例逐步同时倒入设定温度为170℃的挤出机料斗中。然后混合物进入集料头和转轴的接触，PP熔化，转轴的速度通过喷嘴将混合物挤出。轴转速保持适中，以防止混合气跑出。混合是挤出的主要部分。如果纤维与基体的混合不均匀，所得产品的质量就会很差。通过喷嘴得到的面条被切成小颗粒，有利于进一步挤压。为了使混合均匀，这个过程至少重复三次。

2.5。复合板材准备

将挤出机喷嘴卸料切成的BBF/PP复合材料微珠，经极细砂纸抛光、丙酮洗涤、喷淋脱模器等工艺处理后，送入模具中。然后将20g颗粒放入置于网压水压机(热压机)两块钢板之间的模具中，制成复合板材。热压机的温度设置为170℃，初始压力设置为350 KN。大约30分钟后才达到设定温度。在达到设定温度后，在100kn压力下保持熔体约5分钟。然后将薄片冷却到40°C以下(图)1和2和表1)．

3.结果和讨论

3．1.BBF/PP复合材料的物理性能

从图中3.结果表明，15%原纤维BBF/PP复合材料的吸水率最高，吸水率随原纤维掺量的增加而增加。纤维是复合材料的亲水性部分，聚丙烯是复合材料的疏水性部分。这就是复合材料的亲水性随复合材料中纤维百分比的增加而增加的原因。同样的性质也发现了NaOH和KMnO₄经过治疗的纤维。还发现原始BBF / PP复合材料吸收比处理的BBF / PP复合材料更多的水。氢氧化钠处理除去纤维纤维素网络结构中的氢键，增加纤维表面粗糙度[16］．这是由于化学处理使纤维的半纤维素、木质素、果胶流失，降低了纤维的亲水性，增加了纤维的表面张力和粗糙度，保证了基体与纤维的适当粘附，使复合材料的水渗透性降低[17］．

３．２．BBF/PP复合材料的力学性能

3.2.1之上。BBF/PP复合材料的拉伸强度(UTS)

拉伸试样按ASTM D638-98制备。试验速度为1 mm/min，检测试样数量为6个。可以观察到，UTS随着纤维处理和纤维添加百分比的增加而增加[16］．纤维的化学处理通过去除蜡等非纤维素物质，降低了亲水纤维与疏水PP之间的不相容性，从而使纤维与基体之间的附着力差，表面粗糙，基体与纤维之间的附着力强。随着纤维添加量的增加，纤维与基体的比表面积增大，纤维与基体的粘附增强[18］．UTS的价值为KMnO的15%₄经BBF/PP处理的BBF/PP复合材料最高，为35.72 MPa。这证明了高锰酸盐处理的活力，使纤维表面更加粗糙。因此，它在纤维和基质之间产生了更好的附着力(图)4)．

还观察到NaOH处理的BBF / PP复合材料相对于Kmno具有较少的拉伸强度₄对BBF/PP复合材料进行了处理，表明了KMnO的有效性₄治疗NaOH治疗。高锰酸盐治疗带来了通过MNO形成纤维素的形成⁻³离子的形成。高反应性Mn^３＋负责引发高锰酸盐诱导的接枝[19］．然而，在高锰酸盐处理中，较粗糙的纤维和基体之间的机械联锁是主要的界面结合机制，而不是化学结合[20.］．

3.2.2。BBF/PP复合材料的生长率和经处理后的伸长率

数字5显示了原料和处理的BBF / PP复合材料百分比伸长率的比较。观察到，经处理的纤维复合材料的伸长率较少，而不是原料纤维增强复合材料的百分比。化学处理除去木质素，半纤维素和纤维的其他材料。因此，纤维表面的粗糙度和基质和纤维之间的粘附增加。增加的粘附性降低延展性或增加复合材料的硬度。这就是为什么化学治疗最终导致复合材料的伸长率较少。还比KMno的NaOH处理的纤维复合材料相对较长₄纤维复合处理。这是由于在KMnO中纤维与基体之间的附着力更强₄纤维复合处理。作为KMno.₄治疗比NaOH治疗更加活跃，KMno₄处理除去更多的纤维表面材料并使得表面变形，导致粘附增加。随着纤维的增加，由于粗糙表面积的增加，纤维和基质之间的粘附性也会增加。因此，纤维添加剂的伸长率降低。

3.2.3。毛坯和处理后BF/PP复合材料的抗弯强度

数字6对不同比例的BBF/PP复合材料的抗弯强度进行了比较。结果表明，KMnO的抗弯强度最高，为50 MPa₄处理的15wt。％BBF / PP复合材料和最低弯曲强度用于PP（40MPa）。随着纤维添加百分比的增加，弯曲强度增加。Goriparthi等人。[21由于纤维表面经过高锰酸盐和丝光化学处理，提高了抗弯强度。由于化学处理和纤维含量均增加了纤维与基体之间的粘结力，最大值说明KMnO的活力₄治疗。

3．3．BF/PP复合材料的热重分析

热分析是一种重要和非常有用的方法来表征任何材料，如热塑性塑料或热固性聚合物基体，也确定添加到聚合物中的天然纤维的影响[22］．热分析用作理解复合材料结构性能关系和热稳定性的分析方法，例如纤维和聚合物基质之间的不相容性。大多数天然纤维具有低降解温度（200℃），作为纤维素和木质素的函数，使它们不足以加工高于200°C的温度[23］．在图7， S4(红线)为KMnO TG分析₄处理的15wt.％BF / PP复合材料，S1（绿线）未处理15重量％。％BF / PP复合物，S2（蓝线）NaOH处理的15wt.％BF / PP复合物。从图中7，可以观察到，重量的最初下降通常归因于从纤维表面吸收的水分的释放或与湿度有关的水分的蒸发。氢键之间的相互作用使热能分布在许多键上，这是纤维素稳定性的主要来源[24］．这与香蕉纤维的脱水有关。在第一个恒定阶段之后，体重发生了倾斜下降，直到起始温度达到400~500°C。这种倾斜下降可能与香蕉纤维成分的分解有关，包括木质素、纤维素和半纤维素。起始温度越高，结晶度和稳定性越高[25］．所以从图中可以看出，KMnO₄治疗15 wt。% BF/PP复合材料结晶度和热稳定性最高。这种复合材料的最低吸水率也证明了这一事实。

3.4。BBF / PP复合材料的SEM分析

未处理和NaOH处理复合材料拉伸断口的SEM图像如图所示8．未处理的香蕉纤维复合材料断裂表面出现大量的拉拔现象，表明纤维与基体的黏附较差。从图中也可以看出8 (b)被拔出的纤维表面没有基体附着，说明基体与纤维不相容。另一方面，经过氢氧化钠处理的复合材料出现纤维断裂而不是拉出，这表明纤维和基体之间存在很强的界面结合，从而导致应力在纤维和基体之间的转移[21］．

3．5.红外光谱分析

数字9(一个)从图中可以看出2929cm处的C-H不对称拉伸带⁻¹1454 cm处C-H不对称变形带⁻¹对CH₂和ch._3.在1200~1000 cm处有C-C吸收带⁻¹对于碳链的观察。数字9 (b)显示了15%粗BBF/PP复合材料的红外光谱。从图中可以看出，在3340 cm处有一个吸收峰⁻¹表示O-H拉伸吸收带。这里是2927厘米处的C-H不对称拉伸带⁻¹1452 cm处C-H不对称变形带⁻¹对CH₂和ch._3.组，分别，C=C拉伸带在1641 cm处⁻¹， C-O吸收带在1226厘米处⁻¹在1035 cm处的醚基和C-O吸收带⁻¹对于原发性羟基，C-C吸收带为1200〜1000厘米⁻¹对于碳链的观察。

数据10 ()和10 (b)显示了15%处理后的BF/PP复合材料的红外光谱。从图中可以看出，在3307 cm处有一个吸收峰⁻¹，表示O-H拉伸吸收带。这里是2927厘米处的C-H不对称拉伸带⁻¹1450 cm处C-H不对称变形带⁻¹对CH₂和ch._3.组，分别，C=C拉伸带在1641 cm处⁻¹， C-O吸收带在1224 cm处⁻¹在1200~1000 cm处有C-C吸收带⁻¹为碳链。Sgriccia等[26]利用傅立叶变换红外光谱研究了NaOH纤维处理对天然纤维表面的影响。他们将半纤维素乙酰基C=O伸长的消失归因于纤维表面半纤维素的去除。从图中9 (b)，可见1735厘米⁻¹半纤维素乙酰基的C=O拉伸峰存在于生香蕉纤维中[27,28］．但是来自数字10 ()和10 (b)显然这是从碱和KMno中消失的这种峰值₄对BBF/PP复合材料样品进行了处理，证明了两种纤维处理均能去除半纤维素[28］．再次,1234厘米⁻¹木素乙酰基C=O伸缩峰在KMnO中不存在₄处理过的BBF/PP复合试样(图10 (b)），这意味着KMno₄经处理后可除去纤维中的木质素。但这个峰值减少到1230厘米⁻¹而碱处理后的BBF/PP复合样品强度较小，说明碱处理后纤维中木质素部分脱除[28］．

4.结论

在这项研究中，我们使用与商业PP作为基质使用治疗和未处理的香蕉纤维制备了复合材料。水吸收研究表明，5％KMNO₄经处理的纤维复合材料比其他材料吸水少。研究了KMnO的力学性能₄处理后的复合材料在极限抗拉强度(25 MPa)、弯曲强度(50 MPa)和显微硬度方面表现出更好的性能。TGA分析表明，开始温度为400~500℃，这可能与香蕉纤维成分的分解有关，包括木质素、纤维素和半纤维素。综上所述，经化学处理的香蕉皮纤维(BBF)具有改善复合材料性能的能力，其原因在于纤维增强商用PP复合材料的疏水性能更好，力学性能更好，吸水性更小。

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

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