 前言众所周知，我国是世界上比较大的碳排放国，碳减排任务重大而紧迫，2022年3月，中央领导在参加首都义务植树活动时指出，森林是水库、钱库、粮库，现在应该可以再加上一个碳库。 故在工程塑料制造与加工中充分利用现有的林业生物质等，有效地实现低碳绿色制造，是落实科学发展观、建设节约型社会的创新与实践，完全符合党的二十大报告提出的发展思路，是实现中国经济可持续发展的必由之路，因此挖掘棕榈纤维在复合材料的新用途也势在必行。  纤维素和聚乙烯的化学结构 棕榈纤维具有多孔结构且比表面积大，极性基团和亚甲基数量较多，表现出突出的伸缩弹性和良好的吸湿性，另外，棕榈纤维的纤维素长度也较大，断裂伸长率也较大，具有极好的韧性，弯曲180°角度时也不易折断，因此挖掘棕榈纤维在复合材料的用途也十分有意义。 棕榈纤维增强复合材料是由棕榈增强纤维材料，与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料，例如，在聚烯烃与棕榈纤维复合材料的研究中发现：亲水性的棕相纤维与疏水性的基体之间会产生界面，将严重影响复合材料各组分之间的相容性。  纤维增强复合材料的性质取决于各组分的性质及它们界面的相容性，未经处理的纤维的吸湿性和较强的极性使其与非极性树脂间的界面润湿性、界面黏合性极差，因此，需要对棕榈纤维进行改性处理，以增加复合材料的相容性和力学性能。 本文在不同条件下对棕榈纤维进行碱处理和干燥处理，结合正交试验分析，探讨碱处理和干燥条件对改性棕榈纤维聚乙烯复合材料力学性能的影响，提出材料间相互作用的微观原理，解释复合材料结构与性能的关系。  实验材料与方法1.1 实验材料 棕榈纤维片原材，陕西省汉中市出产；高密度聚乙烯，中国石化茂名公司；固体氢氧化钠，AR级，国药集团上海试剂公司；十六烷基三甲氧基硅烷，AR级，国药集团上海试剂公司；无水甲醇，AR级，国药集团上海试剂公司；冰醋酸，AR级，国药集团上海试剂公司。 1.2 主要仪器设备 真空干燥箱，SHP-250，上海精宏实验设备有限公司；平板硫化机，XIBD350X350X2，中国上海轻工机械股份有限公司上海第一橡胶机械厂：电子分析天平FJY10027，上海精密科学仪器有限公司：微机控制电子万能试验机，FJYT0019，深圳三思纵横科技股份有限公司。  1.3 实验方法 测试拉伸强度、弹性模量作为复合材料力学性能的评价指标，碱处理质量分数(A)、处理前干燥温度(B)、碱处理时间(C)作为因素其中碱处理质量分数和处理前干燥温度考察4个水平，碱处理时间考察3个水平，进行4因素混合水平正交试验，选用的正交表为L16(34)，试验次数为16，其中C的1、4水平重复，各因素及其水平设计如表1所示。  表1因素及水平分配表 1.3.1预制件的制备 棕榈纤维片原材的处理前干燥，称取一定质量的棕榈纤维片，置于鼓风干燥箱中，在四种温度(60、80、100、120℃)下各自烘干24h。 烘干后棕榈纤维表面碱处理，采用碱浸泡法，利用不同质量分数(10%、15%、20%、25%)的氢氧化钠溶液，浸泡不同时间(12h、24h、36h)，然后用去离子水洗涤和浸泡至中性，抽滤后烘干，制备出碱处理后的棕榈纤维。 长烷基硅烷对纤维表面的改性，将表面碱处理后的棕榈纤维加入质量分数为5%的十六烷基三甲氧基硅烷的无水甲醇溶液中，溶液通过醋酸调节pH值至5，室温下搅拌反应24h。  固液分离后，反应后的固体纤维采用大量去离子洗涤和浸泡，除去未反应的十六烷基三甲氧基硅烷，最后通过布氏漏斗抽滤分离，长烷基硅烷表面改性后的纤维于90℃真空干燥箱中烘干，制得表面改性好的棕榈纤维。 测试样条的制备，按照GB/T17037.1—2019《塑料热塑性塑料材料注塑试样的制备》制备方法，对改性棕榈纤维增强聚乙烯树脂制通过注塑方式制成1A标准试验样条。  1.3.2 拉伸强度测试试验 用微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，试验控制参数参照国家标准GB/T1040.1—2018《塑料拉伸性能的测定》、GB/T1040.2—2022《塑料拉伸性能的测定》，试样尺寸为170mm×20mm×4.0mm，试样夹持的隔距为115mm，拉伸速度为1mm/min，测定改性棕榈纤维增强聚乙烯复合材料的拉伸强度和弹性模量。 实验结果与讨论2.1 实验结果 样品的拉伸强度和拉伸断裂伸长率测试数据如下表2所示。  表2拉伸强度和弹性模量测试结果 由表2结果所示，经处理的16个样品在拉伸强度方面明显优于未处理的样品；样品1-15号在弹性模量方面也优于未处理的样品。单从干燥温度角度比较，80℃这个条件处理的样品在拉伸强度和弹性模量两方面均表现比较优异，样品10号在所以样品中表现出最佳的拉伸强度和弹性模量。  表3极差分析 由表3极差分析可得知，因子B(烘干温度)>因子A(碱处理质量分数)>因子C(浸泡时间)(即7，04>5，21>3，09)，所以烘干温度对样品的影响是最显著的。  图3拉伸强度曲线图 由图3拉伸强度曲线图可得知，碱处理质量分数(A)的四个水平中3号表现最优；干燥温度(B)四个水平中2号表现最优；碱处理时间(C)四个水平中2号表现最优。 图4弹性模量曲线图 由图4弹性模量曲线图可得知，碱处理质量分数(A)的四个水平中3号表现最优；干燥温度(B)四个水平中2号表现最优；碱处理时间(C)四个水平中2号表现最优。 图5复合材料(虚线)与空白样(实线)的红外吸收光谱对比图 由图5拉伸强度曲线图可得知，空白样品(实线)为聚乙烯，在3000~3500cm-1范围内没有羟基红外吸收峰，光谱曲线表现平坦；复合材料中添加了改性棕榈纤维，在3000~3500cm-1范围内有较明显的羟基红外吸收峰。 2.2 结果分析 2.2.1 最优的试验条件分析 对表2的拉伸强度和弹性模量测试结果进行极差分析(如表3所示)，拉伸强度的3个因素对应的极差分别为5.21、7.04、3.09，第1、2因素的极差相对较大，即碱处理质量分数和干燥温度对复合材料的拉伸强度影响较大，显示碱处理质量分数为20%为最佳参数，干燥温度取80℃效果最佳，而碱处理时间则对拉伸强度影响最小，结果显示碱处理时间取24h最好。 弹性模量对应3个因素的极差分别0.233、0.572、0.289，结果显示第2因素的极差相对较大，即干燥温度对复合材料的弹性模量影响较显著，最佳干燥温度为80℃，而第1、3因素对复合材料的弹性模量影响较小，最佳参数为碱处理质量分数为20%、碱处理时间为24h。 根据拉伸强度和弹性模量效应曲线图(图3、图4)可得：针对拉伸强度试验，各因素主次为B→A→C，优化工艺为B2、A3、C2；针对弹性模量试验，各因素主次为B→C→A，优化工艺为B2、A3、C2，针对拉伸强度和弹性模量而言，最佳工艺均为B2、A3、C2，因此经综合评定优化工艺为B2、A3、C2，即碱处理质量分数20%，干燥温度80℃，碱处理时间24h。 2.2.2 各因素对复合材料的影响及其原因分析 拉伸强度是用来表征材料抵抗拉伸变形的能力，弹性模量是用来衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，由实验结果可知，随着碱处理质量分数、碱处理时间的增加，拉伸强度和弹性模量随着因素的增加先增加后减少，这主要是因为棕榈纤维含有大量羟基。 当碱液进入到棕榈纤维网状组织中时，棕榈纤维会发生系列变化，一方面，碱液会使其发生溶胀，破坏棕榈纤维中的部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质，另一方面，碱液会极大削弱氢键力量，从而使棕榈纤维大分子间距增加，表面变得更加粗糙，增加了树脂和纤维素之间的锁结作用，进而促进了界面的充分渗透和融合。 故棕榈纤维经碱液处理后有效地除去了纤维中的大极性亲水小分子组分，使纤维的表面极性降低，增加纤维内部空隙，从而加强了界面结合力，有助于复合材料拉伸强度和弹性模量的增加。 随着碱处理质量分数和碱处理时间增大，试样的拉伸强度和弹性模量不断提高，在碱处理质量分数为20%时，试样拉伸强度的增幅变小，在碱处理质量分数为25%时，拉伸强度呈现下降趋势，这是因为一定高浓度的碱溶液对纤维本身造成破坏，使纤维素内部的糖苷键发生断裂，明显地降低了纤维素聚合度。 故当达到最佳浓度值后，随着碱浓度和碱处理时间的继续增大，试样的拉伸强度和弹性模量反而转向降低方向。 棕榈纤维不同于无机矿物，通常含有高达10%以上的水分，干燥处理是为了去除棕榈纤维中的自由水，从图3、图4可以看出，随着干燥温度的升高，试样的性能呈现先上升后下降的趋势。 当干燥温度较低时，在一定时间内，棕榈纤维上的水分去除不充分，在纤维与基体复合固化的过程(170℃)中，复合材料内部会产生大量气泡空隙，使复合材料的性能急剧下降，随着干燥温度逐渐升高，干燥处理去除了棕榈纤维的吸附水，且干燥处理所产生的强度损失远小于整体复合材料强度的增量，复合材料性能逐渐提高；直到干燥温度达到80℃，材料的性能达到最佳。 在干燥温度达到大于100℃及以上，试样性能开始下降，过高的干燥处理温度反而不利于复合材料性能的增强，由表2数据可知，经过碱处理和干燥之后，棕榈纤维的拉伸强度及弹性模量均有所增加，其中拉伸强度最大达到31.78MPa，较未处理时增加了46%，弹性模量较未处理时增加了50%。 由图5红外吸收光谱对比可知，复合材料样品和空白样品(聚乙烯)在波数3000~3500cm-1范围内差别比较明显，由于复合材料混合了棕榈纤维素，羟基(—OH)的红外振动吸收峰较突出，但是该吸收峰相对于原有未处理的棕榈纤维素，吸收峰强度还是变弱很多，主要由于通过十六烷基三甲氧基硅烷处理后，纤维表面残留的羟基数量明显减少很多，故吸收峰较低。 这也从微观角度进一步说明：棕榈纤维羟基含量太多，不利于纤维和聚乙烯很好的融合，控制好纤维中羟基含量对材料性能的发挥非常关键。 参考文献
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