椰壳纤维 ES复合材料的吸水性能 王威,黄故

椰壳纤维/ES 复合材料的吸水性能

王威，黄

故

（天津工业大学纺织学院，天津300160）

摘要：采用椰壳纤维为增强体，以ES 纤维作为基体材料，制备椰壳纤维/ES 复合材料，并采用直接浸润吸水法对复

合材料的吸水性能进行测试.结果表明：浸泡时间越长，板材吸水越多，但在吸水过程中板材的吸水速率呈现递减趋势；复合材料成型温度对其吸水性能有着高度显著的影响，成型温度越低，吸水率越高；提高成型温度可减少复合材料中的空隙，降低吸水率，有利于提高复合材料的耐水性.

关键词：椰壳纤维；ES 纤维；复合材料；吸水性能中图分类号：TS102.219；TB332

文献标志码：A

文章编号：1671-024X （2011）04-0023-03

Moisture absorption of composites reinforced by coconut fiber with ES as matrix

WANG Wei ，HUANG Gu

（School of Textiles ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300160，China ）

Abstract ：The coconut fiber is employed as the reinforcement material ,and polypropylene with lower melting point (ES )is

used as the matrix ,the coconut fibers /ES composites are produced.The moisture absorption of the composites is

tested with the method of direct infiltration of water absorbent.The results show that the longer the soaking time ,the plate the more water ,but in the process of water absorption ,the water absorption rate of plate shows a decreasing trend ;the hot pressing temperature in making the composites has a significant effect on the water absorption ,the lower the hot pressing temperature ,the higher the water absorption ;increasing the hot pressing temperature can reduce the gap in the composites ,reduce its water absorption ,and improve the water resistance

of composites.

Key words ：coconut fiber ；ES fiber ；composites ；moisture absorption

收稿日期：2011-05-23基金项目：天津市高等学校科技发展基金项目（20041401）

通信作者：王

威（1965—），女，副教授，博士研究生.E-mail ：wangwei@https://www.wendangku.net/doc/bd1814282.html,

第30卷第4期2011年8月

天津工业大学学报

JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY

Vol.30No.4August 2011

由于天然纤维具有可生物降解性，在工业中已被

越来越多地用以替代合成聚合物材料[1-3].在众多的天然聚合物中，椰壳纤维具有极大的潜力[4-6].椰壳纤维是一种从椰子果实中获得的纤维素纤维，全球产量约500万t/年[7].斯里兰卡和印度是最大的椰壳纤维生产

国，我国椰壳纤维的生产主要分布在海南、

广东等亚热带省份.传统应用只消耗了世界椰壳产量的小部分，大部分椰壳都被自然遗弃，这不但浪费自然资源，还造成了一定的环境污染.椰壳纤维可被用作复合材料的增强材料[8-12]，因椰壳纤维会在大约20~30年内分解，因此可被视为一种环境友好材料.为了进一步拓展椰壳纤维的应用领域，可将椰壳纤维与高聚物进行复合，制作椰壳纤维复合材料.天然纤维复合材料

的吸水率是表征材料吸水性能、

评价天然纤维复合材料的一个重要指标.吸水后的板材含水量对材料的外

观尺寸、重量、力学性能、绝缘性能、

介质损耗等均有较大影响.本文以椰壳纤维作为增强体，

以ES 纤维作为基体制作复合材料，并对其吸水性能进行研究.

1实验部分

1.1椰壳纤维的制备

将来自中国海南省的成熟椰壳在水中浸泡150d.这一过程称之为脱胶，可以部分去除椰壳中的果胶，使纤维很容易从椰壳中分离.脱胶后，用铁锤敲打椰壳，然后用滚筒打丝机把纤维中的椰糠去除干净，然后在振动筛上清除杂质和短纤维（<5mm ），经干燥后获得所需的椰壳原纤.

天津工业大学学报第30卷

1.2椰壳纤维/ES 复合材料的制备

先按需要制作椰壳纤维复合材料预制件，再采用天津市液压机厂生产的YTD71—45A 塑料制品液压

机制备椰壳纤维复合材料，其成型工艺流程为：①预

热至70℃，将预制件放入热压机；②温度升至110℃，成型压力为0MPa ；③在成型压力为5MPa 时，使温度分别提高到165、170、175、180℃；④压力提高到12

MPa 时，保压20min ；⑤温度降至26℃（室温）时，

使压力降至0MPa ；⑥从热压机中脱模取出复合材料.1.3吸水性能的测试

天然纤维复合材料吸水性的大小，不仅与所选纤维材料和基体材料有关，而且与纤维表面处理以及复合工艺有关；此外，复合材料的吸水时间、浸泡温度、试样的厚度、试样的表面积及试样中纤维的分布形态等对复合材料板材的吸水性都有很大的影响.本文参照GB/T1462-2005纤维增强塑料吸水性试验方法[13]，采用直接浸润吸水法对复合材料的吸水性能进行测试.因制作圆形试验片比较困难，而本实验所制作的板材厚度比较小，大约是标准厚度的1/2，所以本实验吸水试样的尺寸取25mm ×25mm.试样切面平整，无因加工而引起的损伤痕迹，如图1所示.每组试验测试5块试样，结果取平均.

本实验主要测试：同一成型温度（170℃）条件下，

不同浸泡时间（2、4、6、8d ）对板材吸水性能的影响；不同成型温度（165、170、175、180℃）条件下制得的板材

经过相同浸泡时间（4d ）后其吸水性能的变化.测试

前，用电子天平分别称量每一块试样的质量（m 1），精

确至1mg ；称重完毕后，将全部试样同时投入到装有至少3.6L 水的容器中，开始计时；在整个浸泡过程中，保证每块试样在水中完全浸没，与水充分接触，不允许试样表面与其他试样或容器壁贴合.按照不同的浸泡时间，依次将试样从水中取出，用清洁的吸水纸将每块试样表面的水吸干.然后在取出后的1min 内

用电子天平分别称量每一块试样的质量（m 2），精确至

1mg.吸水百分率[14]为：

W （%）=（m 2-m 1）/m 1×100%（1）

2

结果与讨论

2.1

吸水率与浸泡时间的关系

成型温度为170℃的板材试样浸泡不同时间后，其吸水情况如图2所示.

由图2可知，在本文实验条件下，

板材吸水曲线尚未达到平衡的状态；浸泡时间越长，板材吸水越多；但在吸水过程中，板材的吸水速率呈现递减趋势.2.2成型温度对吸水率的影响

图3所示为吸水率与成型温度的关系.由图3可知，吸水率随成型温度的提高呈单边下降趋势.

本文采用单因子方差分析法[15]考察成型温度对吸

水率影响的显著性，方差分析结果如表1所示.

由表1可知，统计量F >>F 0.05（3，16），且F >>F 0.01

（3，16），说明成型温度对材料吸水性的影响高度显著.

综上所述，复合板材成型温度对其吸水性能有着

图1吸水性试验试样

Fig.1

Samples for water absorption

experiment

2

413.01

15.92

15.06

10

6818161412

1086420吸水时间/d

9.48

0图2

吸水率与浸泡时间之间的关系

Fig.2

Relationship between moisture absorption and soaking

time

图3成型温度对吸水率的影响

Fig.3

Effect of pressing temperature on moisture absorption

160

165

170180

13.01

20.96

185

175

7.23

252015105

材料成型温度/℃

4.56方差

来源偏差平方和自由度方差

F 值

F 0.05（3，16）F 0.01

（3，16）显著性

温度Q A =790.7693

S A =263.59666.983.24

5.29

**

误差

Q E =6.3231

16S E =0.40

总和Q T =797.0921

19表1

吸水性实验方差分析表

Tab.1

Variance analysis of moisture absorption experiment

24——

第4期

高度显著的影响，成型温度越高，吸水率越低.从板材

的内部结构上看，成型温度越低，压制出来的复合板

材厚度越大，其内部的孔隙率也相对较多，从而在宏

观上表现出了更大的吸水性.

复合材料的吸水性主要取决于：①试样的浸泡时

间；②材料制作过程中的工艺条件；③内部结构和形

态尺寸.吸水过程主要以如下3种方式共同完成：①

水分子在基体材料中的扩散，水分子自由扩散入基体

材料内部的自由空间，也可以通过与材料的亲水功能

团-OH的结合，进入基体内部；②水分子沿纤维-基体

界面的毛细作用；③水通过孔隙、板材微裂纹进入材

料[16-17].水分进入复合材料，可促使树脂基体和椰壳纤维溶胀，使纤维强度降低；而基体与椰壳纤维界面相

中存在大量的孔隙，水分子在“毛细管效应”的作用下

迅速沿界面孔隙扩散.水作为一种极性溶剂，对复合

材料界面相的影响主要是对化学健的破坏并使其物

理吸附强度减弱，致使界面出现膨胀、脱胶，以致老化

失效，从而导致整个材料力学性能的下降.界面是纤

维复合材料3要素（纤维、基体树脂、界面）中最主要

的元素，纤维或基体的应力都会通过其间的界面传

递，形成整体的宏观力学行为[18].水分子的进入对上述3个要素都会产生破坏，但对纤维-树脂界面的破坏是引起材料力学性能下降的主要原因.减少复合材料中残余的空隙有利于提高其耐水性.

3结论

（1）采用直接浸润吸水法对复合材料的吸水性能

进行测试.实验表明，浸泡时间越长，板材吸水越多，

但在吸水过程中，板材的吸水速率呈现递减的趋势.

（2）复合板材成型温度对其吸湿性能有着高度显

著的影响，成型温度越低，吸水率越高；从板材的内部

结构上看，成型温度越低，压制出来的复合板材厚度

越大，其内部的孔隙也相对较多，从而在宏观上表现

出了更大的吸水性；提高成型温度可减少复合材料中

的空隙，有利于提高复合材料的耐水性.

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