通过丙烯酸防水涂层调节黄麻-环氧复合材料的界面粘附性和疏水性

《Hybrid Advances》：Tailoring Interfacial Adhesion and Hydrophobicity in Jute-Epoxy Composites via Acrylic Water Sealer Coatings

该研究通过不同稀释比的防水涂料处理jute纤维增强环氧复合材料，发现1:2涂层在机械性能（拉伸强度17.31 MPa，弯曲强度40.93 MPa）和耐水性（吸水率2.95%）方面最优，SEM和FTIR证实涂层形成连续界面层，提升综合性能，为环保材料应用提供新策略。

　　本研究聚焦于通过水封涂层增强亚麻纤维增强环氧树脂复合材料的机械性能和抗湿性，探索了不同稀释比例（1:1、1:2、1:3，分别为密封剂与水的体积比）对复合材料性能的影响。研究通过拉伸、弯曲和冲击测试，评估了不同涂层比例对复合材料性能的具体影响，并结合扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，揭示了涂层对纤维与基体界面特性的影响机制。研究结果表明，1:2比例的复合材料在多项性能指标上表现最佳，包括弯曲强度（40.93 MPa）、冲击能量（3.75 J）、拉伸韧性（245.65 mJ）以及最低的吸水率（2.95%）。相比之下，1:1比例的复合材料虽然在拉伸强度上表现突出（17.31 MPa），但其整体性能略逊于1:2比例。而1:3比例的复合材料则表现出较高的吸水率（5.57%），这可能与其涂层稀释过度、形成不连续的保护层有关，导致水分更容易渗透并影响材料的结构稳定性。

### 1. 自然纤维增强复合材料的背景与意义

近年来，随着全球对可持续发展的关注日益增加，自然纤维增强复合材料（NFRCs）因其独特的环境友好特性而受到越来越多的关注。自然纤维，如亚麻、亚麻纤维、大麻和剑麻，不仅来源于可再生资源，还具有生物降解性、低密度、成本效益和较低的碳足迹等优势。其中，亚麻纤维因其丰富的供应、较高的比强度以及与聚合物基体的兼容性，成为研究的热点。尽管合成纤维（如玻璃纤维和碳纤维）在机械性能方面表现优异，但其生产过程能耗高，且在生命周期结束时处理困难，容易造成环境污染。因此，寻找替代材料成为当前材料科学领域的重要课题。

亚麻纤维增强复合材料在许多领域具有广阔的应用前景，如汽车内饰、建筑结构和可持续包装等。然而，其在实际应用中面临的主要挑战是纤维的亲水性。亚麻纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些成分中含有大量的羟基（-OH），容易吸收环境中的水分。这种吸水性不仅会导致材料的尺寸不稳定，还会引发纤维膨胀，从而降低其与疏水性环氧树脂的相容性。此外，纤维与基体之间的弱界面结合会加剧在机械载荷下的应力集中，导致纤维拔出、基体开裂或层间剥离等早期失效现象。为了解决这些问题，研究人员已经尝试了多种表面改性技术，包括化学处理（如碱处理、硅烷处理、乙酰化处理）和物理处理（如等离子体处理、电晕放电处理）等方法。然而，这些方法往往伴随着有毒化学品的使用、复杂的工艺流程或高昂的成本，这在一定程度上限制了NFRCs的可持续性和大规模应用。

本研究提出了一种新的解决方案，即利用水性丙烯酸密封剂进行纤维表面改性。这种密封剂通常用于混凝土和木材的保护，具有成本低、易于获取和耐候性好的特点。与传统的化学处理相比，水性密封剂避免了有毒溶剂的使用，简化了制造流程，同时保持了材料的环保属性。通过系统地研究不同稀释比例对复合材料性能的影响，本研究为优化类似涂层在多种自然纤维系统中的应用提供了理论依据和技术路径。

### 2. 材料与方法

本研究选用LY556环氧树脂和HY951固化剂作为基体材料，非织造亚麻织物作为增强材料，从本地市场获取的水性丙烯酸密封剂作为涂层材料。非织造亚麻织物因其纤维随机排列、表面暴露度高，能够提供更大的接触面积，从而更有效地评估密封剂的涂覆效果。通过将织物浸泡在密封剂溶液中，确保其充分吸收，并在常温下干燥三天。随后，将处理后的织物用于复合材料的制备。

复合材料的制备采用手工铺层法，这是一种简单且便于操作的工艺。首先，使用两个玻璃板作为模具，模具表面经过丙酮清洗并晾干。在模具上涂抹硅基脱模剂，以确保固化后的复合材料易于脱模。环氧树脂与固化剂按照10:1的比例混合，并将其涂覆在非织造亚麻织物上。通过刷子和滚筒确保树脂均匀分布，并去除气泡。随后，将第二块玻璃板放置在树脂涂覆的织物上，并使用四个砖块施加恒定压力以促进固化。复合材料在24小时后脱模，并在至少一周的后固化过程中进行性能测试。

为了评估复合材料的机械性能，进行了拉伸、弯曲和冲击测试。拉伸测试遵循ASTM D3039标准，采用Shimadzu万能试验机进行，加载速率设定为2 mm/min。通过测量最大载荷和截面积，计算拉伸强度；通过应力-应变曲线的弹性阶段斜率，确定拉伸模量；通过断裂时应变的变化，计算断裂伸长率；通过应力-应变曲线下的总面积，评估拉伸韧性。弯曲测试则采用相同的试验机，加载速率保持一致，并遵循ASTM D790标准。通过测量最大载荷、跨度长度和试样厚度，计算弯曲强度和弯曲模量；通过弯曲韧性（即载荷-位移曲线下的面积）和弯曲刚度（即载荷-位移曲线的初始斜率）评估材料的弯曲性能。冲击测试则采用20 kg摆锤冲击试验机，依据ASTM D256标准进行，测量试样在断裂过程中吸收的冲击能量，以评估其动态载荷下的性能表现。

为了研究材料的吸水特性，进行了ASTM D570标准下的吸水测试。使用50 mm × 50 mm的试样，在室温下浸泡于蒸馏水中，并在35天内定期测量试样的重量变化。通过计算初始重量与最终重量的百分比变化，评估材料的吸水率。同时，利用扩散系数（D）来衡量水分渗透的速度，以进一步分析材料的长期耐久性。

为了深入理解纤维与基体之间的界面特性，采用了SEM进行形态学分析。通过SEM图像，可以观察到纤维表面的微观结构，如表面粗糙度、孔隙率以及纤维与基体之间的结合情况。FTIR分析则用于识别密封剂中的关键官能团，如C=O、C–O–C和Si–O–Si，这些官能团在界面结合和抗湿性方面起着重要作用。通过分析这些化学键的特征峰，可以进一步确认密封剂与亚麻纤维之间的相互作用机制。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 拉伸测试结果

在拉伸测试中，不同稀释比例的密封剂对复合材料的性能产生了显著影响。1:1比例的复合材料表现出最高的拉伸强度（17.31 MPa），比未涂覆的对照样品（13.61 MPa）提高了27%。这表明，适量的密封剂能够有效增强纤维与基体之间的结合，从而提高材料的承载能力。然而，1:1比例的复合材料在拉伸韧性方面表现稍逊于1:2比例，后者在拉伸韧性方面达到245.65 mJ，是对照样品的两倍。这表明，1:2比例的密封剂不仅提高了拉伸强度，还优化了材料的韧性，使其在承受较大载荷时具有更好的能量吸收能力。

1:2比例的复合材料在断裂伸长率方面也表现优异，达到0.30%，远高于对照样品的0.15%。这表明，1:2比例的密封剂能够有效提升材料的延展性，使其在拉伸过程中能够承受更大的变形而不立即断裂。相比之下，1:3比例的复合材料虽然在拉伸强度上略低于1:2比例，但其韧性仍高于对照样品，表明其在某些情况下仍具有一定的应用潜力。

#### 3.2 弯曲测试结果

弯曲测试结果显示，1:2比例的复合材料在弯曲强度（40.93 MPa）和弯曲韧性（164.87 mJ）方面均表现最佳，而对照样品的弯曲强度和韧性则较低。这表明，1:2比例的密封剂不仅提高了材料的强度，还增强了其在弯曲载荷下的韧性。1:1比例的复合材料虽然在弯曲强度上有所提升，但其弯曲韧性仍低于1:2比例，表明其在承受复杂载荷时可能不如1:2比例的材料耐用。

1:3比例的复合材料在弯曲强度和韧性方面表现较差，这可能与其涂层过于稀薄，无法形成有效的保护层有关。其弯曲强度仅为28.80 MPa，远低于1:2比例的40.93 MPa，表明其在承受弯曲载荷时容易发生断裂。此外，1:3比例的复合材料在弯曲韧性方面也表现不佳，仅达到130.25 mJ，说明其在能量吸收能力方面存在缺陷。

#### 3.3 冲击测试结果

冲击测试结果进一步验证了不同密封剂比例对材料动态性能的影响。1:2比例的复合材料表现出最高的冲击能量吸收能力（3.75 J），而对照样品的冲击能量仅为3.19 J。这表明，1:2比例的密封剂能够有效提升材料的抗冲击性能，使其在受到高冲击载荷时具有更好的韧性。相比之下，1:1比例的复合材料冲击能量为3.44 J，略低于1:2比例，但高于对照样品。这说明，虽然1:1比例的密封剂在某些方面表现出色，但其在动态载荷下的表现仍不如1:2比例。

1:3比例的复合材料冲击能量为3.63 J，介于对照样品和1:1比例之间。这表明，其涂层虽然在一定程度上提升了材料的韧性，但仍然无法完全克服纤维与基体之间的弱结合问题。此外，冲击测试还发现，1:2比例的复合材料在受到冲击时表现出更复杂的断裂模式，从纤维拔出转变为纤维断裂和基体塑性变形，这进一步证明了其在界面结合方面的显著提升。

#### 3.4 吸水测试结果

吸水测试结果揭示了不同密封剂比例对材料长期耐久性的影响。对照样品的吸水率为3.81%，表明其在潮湿环境中容易发生水分渗透，这会降低纤维与基体之间的结合强度，并导致材料性能下降。相比之下，1:2比例的复合材料表现出最低的吸水率（2.95%），显著优于对照样品和其他比例的复合材料。这表明，1:2比例的密封剂能够有效形成连续的疏水屏障，阻止水分进入纤维内部，从而提升材料的抗湿性。

1:1比例的复合材料吸水率为2.99%，接近1:2比例，但其扩散系数（2.41 × 10^-9 cm²/s）仍高于1:2比例。这说明，尽管1:1比例的密封剂能够减少水分的吸收，但其渗透速度较快，可能在短时间内导致材料性能下降。1:3比例的复合材料吸水率最高（5.57%），且扩散系数（11.27 × 10^-9 cm²/s）接近对照样品的两倍，表明其涂层未能形成有效的保护层，反而增加了水分渗透的路径。

#### 3.5 形态学分析

通过SEM图像分析，可以清晰地观察到不同涂层对纤维表面和断裂界面的影响。未涂层的对照样品表现出明显的纤维拔出现象，纤维与基体之间存在较大的空隙，这表明其界面结合较弱。相比之下，1:2比例的复合材料在断裂界面处显示出纤维断裂和基体塑性变形，这表明其界面结合较强，能够有效传递应力。

1:2比例的密封剂不仅改变了纤维表面的微观结构，还增强了其与环氧树脂之间的结合。SEM图像显示，1:2比例的纤维表面更加光滑，孔隙率显著降低，这表明密封剂能够有效填充纤维表面的微孔和缺陷，形成均匀的保护层。此外，纤维表面的微纤维暴露减少，这有助于减少水分的渗透路径，从而提升材料的抗湿性。

#### 3.6 FTIR分析

FTIR分析进一步揭示了密封剂与亚麻纤维之间的化学相互作用。密封剂的红外光谱显示，其含有丰富的酯基（C=O）和醚键（C–O–C），这些官能团能够与亚麻纤维表面的羟基（-OH）形成氢键，从而增强界面结合。同时，密封剂中的硅氧键（Si–O–Si）有助于提升其耐碱性，使其在潮湿环境中保持稳定性。

1:2比例的复合材料在FTIR光谱中显示出更强的氢键相互作用，表明其界面结合更加紧密。这不仅提升了材料的机械性能，还增强了其抗湿性，使其在潮湿环境中表现出更好的稳定性。相比之下，1:3比例的复合材料由于密封剂过于稀薄，其表面的羟基未能被充分覆盖，导致吸水率显著升高，进而影响材料的长期性能。

### 4. 纤维-基体界面增强的机制

本研究发现，1:2比例的密封剂能够通过物理和化学机制显著增强纤维-基体界面的结合。在物理层面，密封剂能够填充纤维表面的微孔和缺陷，形成均匀的保护层，从而提升纤维与基体之间的接触面积。这种增强的接触面积有助于增强范德华力，提高应力传递效率，减少界面失效的可能性。

在化学层面，密封剂中的酯基和醚键能够与亚麻纤维表面的羟基形成氢键，从而增强界面结合。此外，密封剂的分子结构与环氧树脂具有一定的相容性，能够在固化过程中形成共价键，进一步提升界面强度。这种物理和化学双重作用使得1:2比例的复合材料在机械性能和抗湿性方面表现出色。

相比之下，1:1比例的密封剂虽然能够提升拉伸强度，但由于其稀释比例较高，可能在某些情况下导致界面结合不够紧密，影响材料的整体性能。而1:3比例的密封剂由于过于稀薄，无法形成有效的保护层，导致水分更容易渗透，从而降低材料的耐久性。

### 5. 结论

本研究系统地探讨了水性丙烯酸密封剂在不同稀释比例下对亚麻纤维增强环氧树脂复合材料性能的影响。研究结果表明，1:2比例的密封剂能够实现最佳的性能平衡，使其在拉伸、弯曲和冲击测试中均表现出优异的机械性能，同时具有最低的吸水率。这种性能的提升主要归因于密封剂在纤维表面形成的均匀、疏水的保护层，以及其与纤维表面羟基之间的氢键作用。

1:2比例的复合材料不仅在强度和韧性方面优于其他比例，还表现出更好的抗湿性，使其在潮湿环境中具有更长的使用寿命。这为亚麻复合材料在汽车内饰、建筑结构和可持续包装等领域的应用提供了新的思路。此外，研究还指出，1:1比例的复合材料虽然在拉伸强度方面表现良好，但其整体性能略逊于1:2比例，而1:3比例的复合材料则因密封剂过于稀薄，导致水分渗透率升高，影响材料的长期稳定性。

未来的研究应进一步探索结合硅烷或纳米填料的混合涂层，以进一步提升材料的疏水性和界面强度。此外，还需要对材料在长期环境老化、生物降解性和耐久性方面进行更深入的评估，以确保其在实际应用中的可靠性。尽管短期水浸试验结果令人鼓舞，但材料在循环湿度、紫外线照射和盐雾环境下的长期稳定性仍需进一步研究。本研究为自然纤维复合材料的可持续发展提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动其在工业领域的广泛应用。