Обработка льняного волокна раствором щелочи и поли (дофаминовым) покрытием

Обработка льняного волокна раствором щелочи и поли (дофаминовым) покрытием: влияние на физико-химический состав волокна и свойства межфазной поверхности композита лен/Элиум®

Монтрей Артур, Грегори Мерц, Жюльен Бардон, Жером Гийо, Патрик Гризан, Фредерик Аддиего. Журнал Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2024 г., Volume 177,  107963

Flax fiber treatment by an alkali solution and poly(dopamine) coating: Effects on the fiber physico-chemistry and flax/Elium® composite interfacial properties. 

Arthur Montreuil, Grégory Mertz, Julien Bardon, Jérôme Guillot, Patrick Grysan, Frédéric Addiego 

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107963

АННОТАЦИЯ

Использование натуральных волокон для усиления композитов на полимерной основе вызывает все больший интерес для замены обычных синтетических волокон из-за их экологичности. В данном случае оптимизация адгезии между натуральными волокнами и полимерной матрицей имеет решающее значение для обеспечения высоких механических свойств.

 Для улучшения адгезии между льняным волокном и термопластичной смолой на акриловой основе в данной статье было исследовано сочетание подщелачивания и нанесения поли (дофаминового) покрытия (PDA) при обработке волокна. Обнаружено, что подщелачивание гидроксидом натрия (3 мас.%, 2 часа, 21 ± 2 °C) с последующей полимеризацией дофамина (2 г/л, рН 8,5, 24 часа, 21 ± 2 °C) в присутствии поли (этиленимина) (600 г/моль, 1 г/л) в виде полиэлектролита обеспечивает наибольшее повышение прочности композита на межфазный сдвиг (+22,0 %) и прочность на межслойный сдвиг (+63,2 %) по сравнению с композитом с необработанными волокнами. Результаты обсуждаются на основе физико-химических свойств волокна и аспектов взаимодействия композита с поверхностью раздела.

ВВЕДЕНИЕ

Натуральные волокна вызывают все больший интерес для замены стеклянных волокон и даже углеродных волокон в полимерных композитах. Действительно, по сравнению с этими синтетическими волокнами натуральные волокна более устойчивы, имеют меньшую плотность и менее опасны в производственных процессах. Среди натуральных волокон лен очень привлекателен, поскольку обладает одной из самых высоких прочностей при растяжении. Чтобы понять взаимодействие между льняным волокном и вторым материалом, внимание должно быть сосредоточено на среднем слое ламели и первичной клеточной стенке. 

Средняя пластинка содержит в основном пектиновые полисахариды и обеспечивает связывание отдельных волокон в пучок волокон. Первичная клеточная стенка льняных волокон содержит такие вещества, как пектиновые полисахариды, полуцеллюлоза, неорганические соли, воски, жирные кислоты и белок (лигнин в первичной клеточной стенке льна отсутствует). Эти вещества препятствуют потенциальной реакции гидроксильных групп микроволокон целлюлозы с полярными группами другого материала, который может быть покрытием или полимерной матрицей [1]. Следовательно, желательно разработать обработку, которая очищает поверхность волокна путем удаления в некоторой степени веществ, упомянутых выше. Кроме того, в случае гидрофобной матрицы обычно получается плохая адгезия между натуральным волокном и матрицей, что объясняется слабым взаимодействием между гидрофильным волокном и гидрофобной полимерной матрицей. Следовательно, для усиления взаимодействия волокна с матрицей желательно разработать обработку, которая также снижает гидрофильность волокна. Обратите внимание, что любая обработка волокна должна предотвращать порчу волокна и быть устойчивой.

Подщелачивание или мерсеризация - наиболее часто используемая процедура очистки поверхности натурального волокна для улучшения взаимодействия волокна с матрицей, поскольку она проста, экономична и эффективна. Он основан на погружении волокон в щелочной раствор гидроксида натрия (NaOH) или гидроксида калия (KOH). Эта обработка удаляет поверхностные вещества, снижая гидрофильность волокон и повышая кристалличность волокна за счет гидролиза аморфной целлюлозы. Соответственно, улучшается межфазная адгезия волокна к матрице, а также свойства композитов при растяжении и изгибе. Однако натуральные волокна, обработанные подщелачиванием, по-прежнему гидрофильны. Сочетание подщелачивания с другой обработкой для дальнейшего снижения гидрофильности волокна представляет большой интерес.

Одним из методов обработки натуральных волокон, который мало изучался, является полимеризация дофамина (DA) на поверхности волокна с образованием поли (дофаминового) покрытия (PDA) из агрегированных зерен. Покрытие PDA характеризуется самосборкой иерархической шероховатой структуры, которая может захватывать воздух, обеспечивая гидрофобные свойства. Кинетика его нанесения зависит от концентрации DA и pH. После нанесения на натуральное волокно PDA может взаимодействовать с гидрофобной полимерной матрицей. Некоторые авторы обрабатывали бамбуковые волокна подщелачиванием с последующим нанесением покрытия PDA для использования в качестве подкрепления матрицы из полимолочной кислоты. 

Термические и механические свойства композита с обработанными волокнами улучшились по сравнению с композитами с необработанными волокнами, демонстрируя хорошую адгезию волокна к матрице после обработки. Однако одним из ограничений покрытия PDA является его неоднородное волокнистое покрытие. Для решения этого вопроса может оказаться актуальным уменьшить размер зерен PDA, образующихся в результате полимеризации DA, и увеличить количество участков, из которых растут зерна. В случае натуральных волокон предполагается, что использование темплирующего агента для уменьшения размера зерен КПК и нанесение КПК на волокно, обработанное подщелачиванием, с большим количеством доступных гидроксильных связей из целлюлозы может улучшить покрытие КПК. 

Среди различных темплирующих агентов было доказано, что полиэлектролиты контролируют размер зерен PDA в диапазоне 10-100 нм. Объясняется, что полиэлектролит ингибирует рост зерен КПК за счет своей адсорбции на поверхности зерен КПК. Среди обширного семейства полиэлектролитов низкомолекулярный поли (этиленимин) (PEI) был успешно использован для уменьшения размера зерен КПК. Во время полимеризации DA с образованием PDA может быть активирован механизм сшивания между PDA и PEI, улучшающий механические свойства PDA.

Обработка поверхности натуральных волокон PDA в качестве адгезива, с PEI или без него для уменьшения размера зерен PDA, в сочетании или без подщелачивания для оптимизации адгезии с полимерной матрицей заслуживает дальнейшего исследования, что и является целью данной статьи. Исследуемый композит представляет собой термопластичную смолу на акриловой основе, армированную однонаправленными тканями из льняного волокна. Исследуется влияние обработки поверхности волокна на два вида свойств. Сначала оценивается его влияние на физико-химические свойства поверхности волокна (свободная энергия поверхности, элементный состав, шероховатость, морфология, температура термического разложения), а затем сообщается о его влиянии на межфазные свойства композита (пористость, прочность на межфазный сдвиг и прочность на межслойный сдвиг).

Целью данной работы являлось изучение сочетания подщелачивания и обработки PDA в присутствии темплатирующего агента (полиэлектролита PEI) для обработки льняного волокна с целью улучшения межфазной адгезии с термопластичной матрицей на акриловой основе.

Первая часть статьи посвящена поиску параметров обработки льняного волокна, позволяющих получить гидрофобную поверхность и оптимизировать смачиваемость за счет определения свободной энергии его поверхности.