(纺织面料技术教育部重点实验室;东华大学纺织学院，上海，201620)

棕榈纤维作为一种优良的天然纤维，近年来得到相关研究人员的青睐。我国棕榈纤维原料众多，若能得以开发利用将提升棕榈产品附加值，直接带来经济利益，且有利于环境保护、节能减排及可持续发展。对棕榈纤维力学性能的初步研究表明，棕榈纤维断裂强度较高，纤维较长，线密度远比剑麻纤维小，断裂伸长率较大，初始模量与菠萝叶纤维接近［1］。单根棕榈纤维中棕榈细胞紧密排列，杂细胞极少，纤维整体性强，不易分解或拉断;韧性良好，甚至弯曲180°也不会折断［2］。因此棕榈纤维可应用到复合材料制备中。

树脂与纤维的黏结性能很大程度上决定了复合材料的力学性能。天然纤维具有强亲水性，和疏水性树脂之间的界面性能较差，通常需要通过纤维表面处理来改善天然纤维增强复合材料的界面性能。在大多数情况下，未处理的植物纤维增强热塑性材料的拉伸强度和断裂伸长率低于纯热塑性材料，并随着植物纤维填充量的增加而下降，且断裂伸长率下降显著。

本文在不同条件下对棕榈纤维进行碱处理和热处理，结合正交试验分析，探讨最优碱处理和热处理条件，为开发该类纤维增强复合材料提供试验指导。

1 材料与设备

1.1 材料

国产棕榈叶鞘纤维，西南大学;均聚聚丙烯薄膜，上海滋利工贸有限公司。

1.2 设备

XLB-400×400×2型平板硫化机，上海齐才液压机械有限公司;WDW-20型微机控制万能材料试验机，上海华龙测试仪器公司;OCA 15EC型视频光学接触角测量仪，德国 Data Physics公司;EA2004A型电子天平，上海精天电子仪器有限公司。

2 试验方案设计

测试横向拉伸强度作为复合材料力学性能的评价指标，测试纤维的静态接触角作为纤维浸润性能变化的评价指标。碱处理质量分数(A)、碱处理时间(C)、热处理温度(B)、热处理时间(D)作为因素，其中碱处理质量分数和热处理温度考察4个水平，碱处理、热处理时间考察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(45)，第5列为空列，试验次数为16，其中C、D的1、4水平重复。各因素及其水平设计如表1所示。

表1 因素水平分配表

将山棕棕片用清水洗净，常温晾干后从中抽取出单根棕榈纤维。根据正交表安排试验方案，对纤维进行碱处理和热处理。

3 试验

3.1 棕榈纤维-聚丙烯复合材料的制备

将改性处理后的纤维按90°方向等距平行排列于上下2层PP薄膜间，采用铁板固定制备好的预制件。纤维质量分数控制为5%。采用模压工艺进行热压成型，模压工艺参数［3］为:温度160℃、压强1.5 MPa、热压时间10 min。常温自然冷却固化备用。

3.2 横向拉伸强度测试

用万能材料试验机进行拉伸试验，试验控制参数参照GB 1447—2005。试样尺寸为200 mm×25 mm×0.5 mm，试样夹持的隔距为100 mm，拉伸速度为5 mm/min。

3.3 静态接触角测试

将处理过的单根棕榈纤维平行紧密排列于载玻片上，并置于恒温恒湿室平衡24 h。静态接触角测试时每种纤维测试5个点，取其平均值。

4 试验结果与分析

拉伸强度和纤维静态接触角测试结果见表2。

对复合材料横向拉伸强度和经处理的棕榈纤维静态接触角试验结果进行极差分析(如表3所示)。根据因素指标效应曲线图(图1和图2)可得:针对横向拉伸强度试验，各因素主次为B→A→C→D，优化工艺为A2B2C1D2;针对静态接触角试验，各因素主次为 A→D→B→C，优化工艺为A3B2C2D4。采用综合平衡法选取最优工艺，经综合评定优化工艺为A2B2C1D1。从试验结果可知，此工艺对应的强度值最大为32.22 MPa，比未处理时强度(17.27 MPa)提高了86.6%。所以最优试验处理工艺为:碱处理质量分数10%，热处理温度110℃，碱处理时间12 h，热处理时间30 min。

对试验结果进行方差分析可知(如表4所示):因素A对接触角的影响高度显著，因素D对接触角的影响显著，因素B、C对接触角无显著性影响;各因素对横向拉伸强度均无显著性影响。

表2 试验结果

表3 极差分析

图1 横向拉伸强度效应曲线图

图2 静态接触角效应曲线图

由试验结果可知，经表面处理的棕榈纤维增强复合材料的横向拉伸强度得到很大提高。随着碱处理质量分数、热处理温度及热处理时间的增加，横向拉伸强度先增大后减小;随着碱处理时间的增加，拉伸强度减小。这主要是因为碱溶解了棕榈纤维中的部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质，纤维表面的杂质被除去，纤维表面变得粗糙，增加了机械锁结作用，同时与基体的有效接触面积增加，有利于改善纤维与基体的界面性能。从图1可看出，碱处理时间越长，强度的损失越大。另外，纤维中含有的吸附水如不除去，纤维在与基体复合时，基体固化过程中水分子的挥发使复合材料内部产生大量气孔，导致复合材料性能恶化。本试验适当的热处理除去了棕榈纤维中的吸附水，且使纤维因热作用产生的强度损失小于整体复合材料强度的增量，从而保证了复合材料力学性能的提高。

表4 试验结果方差分析

从表2可看出，经过碱处理和热处理后，棕榈纤维的静态接触角均有所增加，纤维浸润性能降低。其中接触角最大达到60.57°，较未处理时的43.58°增大了39.0%。这主要是因为碱溶解除去了纤维中的亲水性物质，热处理除去了纤维中的吸附水，使纤维的表面张力发生了改变。

5 结语

(1)经过正交试验分析得出，用于聚丙烯基复合材料的棕榈纤维的碱处理、热处理最优工艺为:碱处理质量分数10%，热处理温度110℃，碱处理时间12 h，热处理时间30 min。

(2)碱处理质量分数对棕榈纤维浸润性的影响高度显著，热处理时间对棕榈纤维浸润性的影响显著。

(3)经碱处理和热处理后，棕榈纤维的水浸润性能降低，最大接触角(60.57°)较未处理时(43.58°)增大了39.0%;经处理后纤维增强复合材料的最大横向强度较未处理时提高了86.6%。

［1］ 刘晓霞，徐慧卿.棕叶纤维强度和染色性能探讨［J］.上海工程技术大学学报，2007，21(1):78-82.

［2］ 曾昭干，朱利军.棕榈纤维弹性材料产业现状与发展趋势［J］.中国西部科技，2006(1):23-24.

［3］ 陈卉颖，孙菲，张慧萍，等.棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能研究［J］.产业用纺织品，2011，29(10):27-30.