摘  要：黃麻纖維復(fù)合材料由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在市場(chǎng)中的份額，然而這類(lèi)材料的易燃性卻限制了其在阻燃要求較高的建筑與汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此阻燃改性處理勢(shì)在必行。綜述了近年來(lái)黃麻纖維復(fù)合材料阻燃改性的研究進(jìn)展，具體敘述了4種阻燃改性方法（化學(xué)反應(yīng)修飾法、浸軋烘焙法、表面撒粉法和涂層法），并進(jìn)行了對(duì)比。此外，指出了黃麻纖維復(fù)合材料阻燃改性的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：黃麻纖維復(fù)合材料；阻燃；改性；機(jī)理

黃麻纖維是最廉價(jià)的天然纖維之一，呈白色、有光澤、吸濕性能優(yōu)越、散水好、透氣性好、易生物降解，且力學(xué)性能優(yōu)異。黃麻纖維密度約為玻璃纖維的3/5，但成本僅約為玻璃纖維的1/6，與熱塑性樹(shù)脂結(jié)合，能開(kāi)發(fā)出可降解和再生的綠色復(fù)合材料。黃麻纖維復(fù)合材料降噪能力較強(qiáng)，MOHANTY等通過(guò)熱壓工藝制備了一種堿處理后黃麻纖維與天然橡膠的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在31.5~8000Hz全頻段都有明顯降噪效果，因此，黃麻纖維復(fù)合材料在汽車(chē)、建筑等工業(yè)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景和創(chuàng)新空間，是一種應(yīng)用價(jià)值較高、使用范圍廣泛的植物纖維復(fù)合材料。黃麻纖維主要包含多羥基結(jié)構(gòu)的半纖維素和纖維素，因此易燃燒的特性成為黃麻纖維復(fù)合材料在使用過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題之一。隨著工業(yè)企業(yè)應(yīng)用對(duì)阻燃要求的不斷提高，黃麻纖維復(fù)合材料阻燃改性的研究就愈發(fā)顯得重要。

根據(jù)處理工藝的不同，黃麻纖維復(fù)合材料的阻燃改性方法主要分為化學(xué)反應(yīng)修飾法、浸軋烘焙法、表面撒粉法和涂層法4種。下面分別從相關(guān)機(jī)理和實(shí)用角度等方面介紹國(guó)內(nèi)外黃麻纖維復(fù)合材料阻燃改性的研究進(jìn)展。

1化學(xué)反應(yīng)修飾法阻燃改性

化學(xué)反應(yīng)修飾法主要利用麻纖維表面活性的羥基官能團(tuán)易和一些反應(yīng)型阻燃劑發(fā)生化學(xué)鍵結(jié)合的特點(diǎn)，使阻燃劑分子到達(dá)纖維的表面，達(dá)到阻燃的目的。YU等以磷基化合物（DOPO-ICN）為阻燃劑對(duì)黃麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料完成了阻燃處理，結(jié)果證明，處理后的復(fù)合材料阻燃效果顯著，而且力學(xué)性能也有所提升。賴金瓊選用DOPO型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)黃麻纖維進(jìn)行處理，結(jié)果表明其最佳處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％，最佳處理時(shí)間為2h，使得復(fù)合材料的阻燃性能有較大提高。周雙等先用NaOH溶液對(duì)黃麻纖維進(jìn)行預(yù)處理后再制備復(fù)合材料，結(jié)果表明，用1mol·L-1的NaOH溶液浸泡黃麻纖維48h后制備的復(fù)合材料耐熱性能提高，維卡軟化溫度由97.5℃升至101.3℃。SUARDANA等將黃麻纖維置于不同濃度的磷酸氫二銨（DAP）溶液中并在160℃下反應(yīng)1h，烘干得到阻燃黃麻纖維再與聚丙烯制成復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表現(xiàn)為，增大DAP濃度后，復(fù)合材料的燃燒速率、質(zhì)量損失速率均不同程度降低，DAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％時(shí)，復(fù)合材料在500℃時(shí)殘?zhí)柯视?.35％提高至16.43％，阻燃性能明顯提升。

2浸軋烘焙法阻燃改性

該方法是纖維織物最常用的阻燃整理工藝，多采用混合阻燃液的形式（染色劑、滲透劑、阻燃劑、表面活性劑等），簡(jiǎn)單的工藝處理卻可獲得持久性較好的阻燃特性，但纖維復(fù)合材料的觸覺(jué)柔韌性會(huì)有所降低。杜兆芳等選用的阻燃液為復(fù)合型FR-PG-G，通過(guò)浸軋并烘干黃麻纖維復(fù)合材料的針剌氈，使得復(fù)合材料的極限氧指數(shù)（LOI）明顯提高至大于35%，但另一方面，卻造成了力學(xué)性能不同比例的降低。焦永勝制成黃麻纖維/可溶性聚芳醚酮（PEK-M）復(fù)合材料，結(jié)果顯示，當(dāng)黃麻纖維的含量較低時(shí)，復(fù)合材料的阻燃性能較好，黃麻纖維是復(fù)合材料阻燃性能的主要影響因素，且選擇高性能PEK-M基體會(huì)使復(fù)合材料的阻燃效果更為突出，因而不再添加阻燃劑、抗氧劑等助劑。BASAK等使用不同濃度的九水偏硅酸鈉（SMSN）對(duì)黃麻纖維復(fù)合材料進(jìn)行阻燃處理，結(jié)果表明，使用2％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SMSN可以使黃麻纖維復(fù)合材料的垂直燃燒速率較處理前降低90%，同時(shí)LOI由21％增大到29％。于濤采用磷系的9，10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物（DOPO）作為阻燃劑對(duì)黃麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行了阻燃處理，使黃麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料的阻燃性能得到了極大的提高，當(dāng)DOPO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，黃麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料的防火可達(dá)到UL94V-0級(jí)。

3表面撒粉法阻燃改性

表面撒粉法的阻燃處理方式相對(duì)比較新穎，流程簡(jiǎn)單，阻燃劑直接選取粉末狀固體即可。竇艷麗等采用分層撒粉法制備阻燃黃麻纖維/聚丙烯（PP）復(fù)合材料，當(dāng)β-環(huán)糊精（β-CD）與聚磷酸銨（APP）以質(zhì)量比為1∶2復(fù)配時(shí)，黃麻纖維/PP復(fù)合材料阻燃特性表現(xiàn)突出。當(dāng)阻燃劑質(zhì)量占比為20%時(shí)，黃麻纖維/PP復(fù)合材料的LOI值可達(dá)26.6%，相當(dāng)于日本JISD1201-77標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的第三難燃等級(jí)。阻燃劑含量的升高會(huì)導(dǎo)致黃麻纖維/PP復(fù)合材料的水平燃燒速率下降，甚至于自熄，隨著APP占比的提高，自熄時(shí)間逐漸縮短，最少為58s。郭博淵在實(shí)驗(yàn)中證明，當(dāng)黃麻纖維上下表面噴灑不同比例的APP粉和可膨脹石墨（EG）粉時(shí)，提高EG含量，黃麻纖維/PP復(fù)合材料即會(huì)出現(xiàn)自熄現(xiàn)象。主要原因是，在燃燒時(shí)，EG分解形成較多蠕蟲(chóng)狀的炭層，同時(shí)釋放出如CO2、SO2等惰性氣體，提供了APP膨脹阻燃所需的炭源和氣源，因此最大程度地實(shí)現(xiàn)了APP對(duì)黃麻纖維/PP復(fù)合材料的高效阻燃，確保了復(fù)合材料的阻燃特性最優(yōu)化。DOU等將APP粉末散布在黃麻纖維/PP無(wú)紡布?xì)值谋砻?，然后轉(zhuǎn)化為阻燃層熱壓成黃麻纖維/PP復(fù)合材料，與預(yù)浸漬法相比，復(fù)合材料的阻燃性和力學(xué)性能均有顯著提高。張?zhí)扃鞑捎脤⒉煌康?beta;-CD均勻往復(fù)地撒到黃麻纖維/PP復(fù)合材料氈表面，再在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型。結(jié)果表明，β-CD的加入可以降低黃麻纖維/PP復(fù)合材料在熱分解時(shí)形成揮發(fā)物中的可燃成分，提高復(fù)合材料的阻燃性能。

4涂層法阻燃改性

先將阻燃劑與樹(shù)脂按一定比例均勻混合，再利用樹(shù)脂的黏結(jié)性將混合液涂于纖維織物表面，即為涂層法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是阻燃效果較好且作用時(shí)間較長(zhǎng)，缺點(diǎn)是表層樹(shù)脂固化后硬度變大對(duì)應(yīng)用造成影響。WILLIAMS等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以氰酸三烯丙酯為交聯(lián)劑的乙烯基膦酸（VPA）原位光聚合的涂層不僅對(duì)纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料（GRE）有效，而且對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）這種熱塑性材料亦有效?；赩PA的含磷防火涂料——新型層合之間的防火涂層，提高了兩者之間的附著力涂層，在一定程度上顯著改善了復(fù)合材料的阻燃性。DOU等制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的雙酚A-環(huán)氧丙烯-酸酯（BAEA）、2-羥乙基甲基丙烯酸磷酸酯（PM-2）和聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的AUV固化阻燃涂料，通過(guò)調(diào)整PUA和PM-2的含量，為黃麻纖維/PP復(fù)合材料制備了更好的阻燃涂層。隨著PM-2含量的增加，LOI值變大，水平燃燒速率降低，復(fù)合材料熱穩(wěn)定性更好，殘?zhí)抠|(zhì)量分?jǐn)?shù)在650℃時(shí)可達(dá)16.07%，錐形量熱試驗(yàn)中帶涂層的復(fù)合材料的熱釋放速率峰值、有效燃燒熱及總產(chǎn)煙率均被有效抑制。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示，復(fù)合材料表面產(chǎn)生了致密光滑的炭層，使其難以釋放燃燒產(chǎn)生的熱量，抑制了復(fù)合材料的燃燒。當(dāng)PUA和PM-2共存時(shí)，最終雙鍵轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到84.23%，LOI可達(dá)25.1%，達(dá)到難燃水平。

5結(jié)束語(yǔ)

以上4種阻燃改性方法中，化學(xué)反應(yīng)修飾法對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求偏高；浸軋烘焙法在一定程度上影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度；表面撒粉法是選擇較多且相對(duì)穩(wěn)定的方法；涂層法對(duì)纖維織物的應(yīng)用有一定影響。

當(dāng)前阻燃劑的創(chuàng)新發(fā)展中，占主導(dǎo)地位的還是含磷、氮和鹵素元素的阻燃劑，而這些阻燃劑的使用常常需在酸性條件才能發(fā)揮其作用，雖然提高了阻燃性，但也因此導(dǎo)致經(jīng)阻燃處理后的黃麻纖維失去拉伸強(qiáng)度，變得更加堅(jiān)硬。由硅酸鈉、EG和聚羧酸等組成的膨脹型阻燃劑，造成了復(fù)合材料的機(jī)械、電、絕緣等性能不同程度的降低，更為嚴(yán)重的是，大幅度減弱的拉伸和抗沖擊強(qiáng)度嚴(yán)重阻礙了工業(yè)企業(yè)的多方面應(yīng)用，即使這種阻燃處理的程序綠色無(wú)污染，但其弊端仍十分明顯。由此可見(jiàn)，針對(duì)黃麻纖維復(fù)合材料，開(kāi)發(fā)性價(jià)比更高、環(huán)保性更優(yōu)、持久性更強(qiáng)的阻燃改性方法為眾多科技人員提供了具有諸多挑戰(zhàn)性的研究課題。阻燃改性的提升雖然可以為黃麻纖維復(fù)合材料的使用提供有力的性能價(jià)值，但在一定程度上會(huì)影響其綠色可降解性能。另外，阻燃改性時(shí)使用的化學(xué)試劑還會(huì)帶來(lái)一些不可避免的環(huán)境污染，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，添加的阻燃劑還會(huì)有小分子遷移到復(fù)合材料表面，進(jìn)而影響復(fù)合材料的外觀和相關(guān)性能。

綜上所述，研發(fā)高度交聯(lián)型及原位反應(yīng)型綠色阻燃劑以及采用低碳環(huán)保、性價(jià)比高、低煙低毒的阻燃方法是提高黃麻纖維復(fù)合材料阻燃性能的發(fā)展趨勢(shì)。

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文章摘自：王海蓉，曲芳，盛泓皓，祝賀，邵永軒，黃麻纖維復(fù)合材料阻燃改性的研究進(jìn)展[J].遼寧化工，2023，52(06)：860-862.