玻璃纤维由于具有优异的绝缘性能、耐热性能及力学性能，广泛应用于国防军工、航空航天及建筑等领域[1-3]。而随着全球气温上升、固废处理困难等环境问题日益严重，开发具有节能环保特性的材料成为现阶段科研工作热点[4]。将植物纤维与玻璃纤维共混制备复合材料，由于复合材料具有突出的环保特性和成本优势，受商业市场的广泛关注[5-6]。植物纤维基复合材料的力学性能较差，限制其在高承载能力复合材料领域的广泛应用[7-8]。该复合材料力学性能较差的原因主要是植物纤维或木质纤维素材料中纤维细胞壁聚合物具有丰富的羟基官能团，使得纤维材料具有亲水性，而与疏水性的热固性或热塑性基质结合时，这一特性会影响其结合效率[9]。目前针对植物纤维增强热塑型复合材料的研究，主要是通过碱处理、偶联剂处理、增容剂处理等化学改性的方法提高复合材料的力学性能[10-13]。针对几种纤维增强聚合物的力学强度和热学性能已有一些研究。相较原材料，复合材料的力学性能均有所提升，使用天然植物纤维结合玻璃纤维制备复合材料具有一定的可行性[14-18]。椰壳纤维由于具有高密度、高硬度、来源广泛和价格低廉等特点，受相关领域工作人员关注。杨莉等[19]将椰壳、大麻和聚丙烯(PP)等单体混杂制备复合材料，混杂处理后椰壳-大麻/PP复合材料的力学性能相较相同工艺条件下大麻/PP复合材料最大拉伸强度提高1.07倍。王亚洁等[20]研究不同工艺对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/椰壳纤维复合材料力学性能及界面性能的影响。结果表明：在最优制备工艺条件下，相较于原材料其拉伸性能提高了59%、抗冲击强度提高了22.87%。现阶段对于椰壳纤维/玻璃纤维与酚醛树脂结合制备复合材料的研究仍有所不足，因此需要设计实验，探究该复合材料在不同工艺制备条件下的力学性能。本实验将椰壳纤维/玻璃纤维共混，结合酚醛树脂基体制备复合材料，探究纤维含量及椰壳纤维/玻璃纤维对复合材料拉伸性能及抗弯性能的影响，以期为玻璃纤维的改性优化提供新方法。1实验部分1.1主要原料苯酚、多聚甲醛，分析纯，大茂化学试剂公司；氢氧化钠，分析纯，上海沪试试剂有限公司；酚醛树脂，SHGL-101，广州市新稀冶金化工有限公司；玻璃纤维，6 mm，泰安森扬复合材料有限公司；天然椰壳纤维，邯郸市柯旺化工贸易有限公司。1.2仪器与设备集热式恒温加热磁力搅拌器，DF-101S、循环水真空泵，SHZ-D，大茂化学试剂公司；电子分析天平，FA2104N，永大化学试剂公司；综合力学试验机，WDW-200，山东华研智能装备集团有限公司；体积表面电阻率测试仪，BEST-212，晶须复合材料制造厂；冷冻真空干燥机，FC-10A-E，河北国辉实验仪器有限公司；小型全自动热重分析仪(TG)，220 V，东明投机械有限公司；FIBSEM扫描电镜系统(SEM)，NX5000，日立（中国）有限公司。1.3样品制备椰壳纤维预处理：将剪断的椰壳纤维用浓度为2%的氢氧化钠溶液浸泡1 h，用浓度为0.5%的盐酸洗涤，以去除椰壳纤维的碱颗粒。使用自来水清洗纤维，用蒸馏水清洗，直至纤维pH值为6~7，进行真空冷冻干燥。冷冻干燥结束后，将椰壳纤维裁剪成20 mm。复合材料制备：将剪短处理的椰壳纤维与玻璃纤维以一定比例混合后开松2遍，将梳理剂以雾状形式喷洒在开松后较松散的纤维上，放在塑料袋中8 h，进行2遍梳理后均匀排列在250 mm×250 mm×3 mm层压板中。倒入一定量的酚醛树脂于模具中，并将层压板（随后进行液压压缩）浸渍到模具中，使得酚醛树脂均匀地铺在层压板中的混合纤维上，制备预成型件。压制时，设定压制温度为80 ℃，并保持5 min。将预成型件在3 MPa下保持5 min后卸压1 min，重复1次加压、释压过程，以排除纤维网中的空气，确保复合材料成型良好。结束后将压强设置为15 MPa，压制温度设置为160 ℃，保持30 min。压制结束后，带压冷却6 h得到复合材料。通过改变椰壳纤维和玻璃纤维的体积比和总纤维含量占比，制备具有不同织物含量的复合材料。表1为椰壳纤维/玻璃纤维共混结合酚醛树脂复合材料的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.T001表1椰壳纤维/玻璃纤维共混结合酚醛树脂复合材料配方Tab.1Formula of coir fiber/glass fiber blended phenolic resin composites编号椰壳纤维/玻璃纤维体积比总纤维含量/%酚醛树脂含量/%14∶1307024∶1406034∶1505044∶1604054∶170306100∶0604072∶160408100∶0703092∶17030101∶17030111∶16040121∶15050131∶14060141∶1307015—01001.4性能测试与表征拉伸性能测试：测试尺寸为150 mm×25 mm×3 mm，加载速度为2 mm/min，选择50 kN的测压元件，控制试验温度为25 ℃，湿度为50%，拉伸应力沿纤维轴方向施加。弯曲性能测试：测试尺寸为100 mm×12.7 mm×3 mm，加载速度为4 mm/min，选择50 kN的测压元件，控制试验温度为25 ℃，湿度为50%，其中纵向为纤维网的输出方向，横向为与纤维网输出方向垂直的方向。冲击性能测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，摆锤速度为3.5 m/s。吸湿性能测试：将复合材料在室温下浸泡于装有自来水、蒸馏水和海水的烧杯中浸泡7 d，每天定时取样测定样品的吸湿率。TG分析：850 ℃前使用N2气氛，850 ℃后切换为空气气氛，升温速率为10 ℃/min。SEM测试：试样断面经喷金处理，加速电压10 kV，观察样品表面形貌。2结果与讨论2.1拉伸性能分析2.1.1纤维含量的影响椰壳纤维/玻璃纤维体积比为4∶1，总纤维含量为30%~70%时，探究经过碱性预处理及未经过碱性预处理的椰壳纤维的含量对复合材料的拉伸强度和拉伸模量的变化情况，图1为测试结果。从图1可以看出，未预处理组的复合材料拉伸强度低于基体，其他复合材料的拉伸性能均高于基体，纤维含量在30%以内复合材料的拉伸强度降低，可能因为纤维含量较低，使其在复合材料中分布不均匀，从而导致复合材料中存在空隙。此外，随着纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度和模量均有所增加，而当纤维含量达60%时，复合材料拉伸强度达到33.54 MPa，拉伸模量达到7.02 GPa。当纤维含量超过60%，复合材料的拉伸强度和模量分别降至30.12 MPa和6.95 GPa，这主要由于过量的纤维产生团聚作用，使得材料拉伸性能降低。对比碱处理前后的椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料拉伸性能，经过碱处理后复合材料的拉伸性能均有所上升，表明碱性预处理具有必要性。图1纤维含量对复合材料拉伸强度和拉伸模量的影响Fig.1Effect of fiber content on tensile strength and tensile modulus of composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F1a1(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F1a2(b)拉伸模量2.1.2椰壳纤维/玻璃纤维体积比的影响探究纤维含量为60%时，不同椰壳纤维/玻璃纤维体积比对椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的拉伸强度和拉伸模量的影响，表2为测试结果。从表2可以看出，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的拉伸强度和拉伸模量随着玻璃纤维含量的增加而不断提高，主要由于玻璃纤维具有较高的拉伸强度。随着玻璃纤维含量占比从0增加至50%，复合材料的拉伸强度从22.25 MPa增加至52.33 MPa，相较基体，复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别提高了116.60%和191.58%；相较纯椰壳纤维，复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别提高了135.19%和116.97%。而继续提高玻璃纤维的含量，由于玻璃纤维的主体长度超过椰壳纤维的主体长度，经过混杂处理后，混杂针刺毡中纤维间接触点减少，从而导致材料抗拉伸性能有所降低[21]。因此椰壳纤维/玻璃纤维的最优体积比为1∶1。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.T002表2椰壳纤维/玻璃纤维体积比对复合材料拉伸性能的影响Tab.2Effect of coir fiber/glass fiber volume ratio on the tensile properties of composites样品椰壳纤维/玻璃纤维体积比拉伸强度/MPa相较基体增量/%相较纯椰壳纤维增量/%44∶128.4417.7227.826100∶022.25-7.91—92∶135.1445.4557.93111∶152.33116.60135.1915—24.16——样品椰壳纤维/玻璃纤维体积比拉伸模量/GPa相较基体增量/%相较纯椰壳纤维增量/%44∶15.6798.9548.046100∶03.8334.39—92∶17.42160.3593.73111∶18.31191.58116.9715—2.85——2.2抗弯性能分析2.2.1纤维含量的影响当椰壳纤维/玻璃纤维体积比为4∶1，纤维含量为30%~70%时，探究碱性预处理前后椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的抗弯强度和弯曲模量等力学性能变化情况，图2为测试结果。从图2可以看出，当纤维含量增加时，复合材料的抗弯强度和弯曲模量均有所增加。在纤维含量为70%时，复合材料的预处理前后抗弯强度分别可达到180.2 MPa和200.4 MPa。因为纤维含量的提高，使复合材料与基体能够良好相容，并有效地提高材料应力传递能力，因此复合材料的抗弯强度和弯曲模量均有所增加，而对椰壳纤维进行碱预处理能够提高材料的抗弯强度和弯曲模量。图2纤维含量对椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料抗弯强度和弯曲模量的影响Fig.2Effect of fiber content on bending strength and bending modulus of coir fiber/glass fiber phenolic resin matrix composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F2a1(a)抗弯强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F2a2(b)弯曲模量2.2.2椰壳纤维/玻璃纤维体积比的影响探究当纤维含量为70%时，不同椰壳纤维/玻璃纤维体积比对椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的抗弯强度和弯曲模量的影响情况，表3为对应的力学测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.T003表3椰壳纤维/玻璃纤维体积比对复合材料抗弯性能的影响Tab.3Effect of coir fiber/glass fiber volume ratio on flexural properties of materials样品椰壳纤维/玻璃纤维体积比抗弯强度/MPa相较于基体增量/%相较于纯椰壳纤维增量/%6100∶053.424.27—44∶175.447.1841.1892∶1108.7112.18103.52111∶1129.4152.59142.2715—51.23——样品椰壳纤维/玻璃纤维体积比弯曲模量/GPa相较于基体增量/%相较于纯椰壳纤维增量/%6100∶04.8227.51—44∶16.3668.2531.9592∶18.12114.8168.46111∶18.41122.4974.4815—3.78——从表3可以看出，随着玻璃纤维体积占比从0增加至50%，复合材料抗弯强度从53.42 MPa增加至129.4 MPa，此时弯曲模量从4.82 GPa增加至8.41 GPa。相较基体，复合材料的抗弯强度和弯曲模量分别提高152.59%和122.49%，相较纯椰壳纤维，复合材料的抗弯强度和弯曲模量分别提高弯曲模量提高了142.27%和74.48%。结果表明：玻璃纤维体积比的增加可以有效增加材料的抗弯强度和弯曲模量。这主要由于玻璃纤维的断裂伸长率大于椰壳纤维的断裂伸长率，因此椰壳纤维的混杂效果改善了复合材料的拉伸断裂性能。而当玻璃纤维体积比继续提高时，一方面纤维间缠结不断降低，另一方面材料间孔隙率也不断下降，因此使得复合材料抗弯性能有所下降[22]。因此适当添加玻璃纤维可以有效地增加材料的抗弯强度和弯曲模量，最优椰壳纤维/玻璃纤维体积比为1∶1。2.3冲击强度分析椰壳纤维/玻璃纤维体积比为1:1，纤维含量为30%~70%时，对比复合材料与椰壳纤维和玻璃纤维原材料，探究在碱性预处理条件下，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的冲击强度性能变化，图3为测试结果。从图3可以看出，随着纤维含量的提高，材料抗冲击性能逐渐增强，纤维含量为70%，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料冲击强度最高可达1.62 J/mm2。这主要由于纤维含量低时纤维与基体之间由于界面黏结较弱，形成多条微裂纹，从而导致冲击强度降低。而提高纤维含量时，材料空隙减少，使得材料冲击强度提高。基于经济性及实用性等角度考量，最终选择椰壳纤维/玻璃纤维体积比为1∶1，纤维含量为70%的复合材料，进行后续性能测试。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F003图3不同纤维含量对复合材料冲击强度的影响Fig.3Effect of different fiber content on impact strength of composites2.4吸湿性能分析吸湿性是纤维的重要物理性能指标之一。图4为椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料和玻璃纤维增强酚醛树脂材料在不同介质中吸湿性能。从图4可以看出，随着时间的持续，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料和玻璃纤维酚醛树脂基材料的吸湿率均逐渐增加，而复合材料在不同介质中其吸湿率随时间的变化规律有所不同，在自来水中吸湿速率最快，在海水中吸湿速率最慢。当实验时间在6~7 d之间，材料的吸湿率达到峰值。当实验时间为7 d，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料在自来水、蒸馏水和海水中的吸湿率分别为19.2%、16.5%和9.0%；玻璃纤维酚醛树脂基材料在自来水、蒸馏水和海水中的吸湿率分别为11.5%、9.9%和5.4%，表明复合材料具有更强的吸湿性能。图4椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料和玻璃纤维增强酚醛树脂材料在不同介质中吸湿性能Fig.4Moisture absorption properties of coir fiber/glass fiber phenolic resin matrix composites and glass fiber phenolic resin matrix composites in different media10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F4a1(a)椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F4a2(b)玻璃纤维酚醛树脂基材料2.5TG分析在最优工艺条件下制备椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料，图5为椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料和玻璃纤维酚醛树脂基材料的TG曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F005图5椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料和玻璃纤维酚醛树脂基材料的TG曲线Fig.5TG curves of coir fiber/glass fiber phenolic resin matrix composites and glass fiber phenolic resin matrix composites从图5可以看出，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料和玻璃纤维酚醛树脂基材料在50 ℃时质量损失均低于2%；而当温度提高至300 ℃时，样品中半纤维素和纤维素分解，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂失重率为20%，而玻璃纤维酚醛树脂基材料失重率达为15%。温度提高至450 ℃时，椰壳纤维中主体成分纤维素、半纤维素和木质素分解迅速。当温度提高至600 ℃时，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂复合材料总失重率达81.3%，而玻璃纤维酚醛树脂基材料总失重率达80%。继续提高温度，椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂复合材料与玻璃纤维酚醛树脂基材料失重率变化不显著。结果表明：引入椰壳纤维材料使得复合材料在250~550 ℃区间内失重率显著高于玻璃纤维酚醛树脂基材料，表明椰壳纤维的添加降低了材料的热稳定性。2.6SEM分析图6为最优制备工艺条件下椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的SEM照片。从图6可以看出，纤维表面较粗糙，无明显界面区别，表明两种纤维材料结合良好。此外，椰壳纤维表面有很多凹坑，这是碱蚀刻的结果，增大了纤维表面粗糙度，从而增加与基体材料的接触面积，改善界面性能，表明碱处理对材料的力学性能有所改善。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F006图6椰壳纤维/玻璃纤维酚醛树脂基复合材料的SEM照片Fig.6SEM image of coir fiber/glass fiber phenolic resin matrix composite3结论针对椰壳纤维/玻璃纤维共混结合酚醛树脂基复合材料，其制备工艺具有低成本和短流程的优点。对椰壳纤维材料进行预处理能够有效提高材料的力学性能。提高纤维含量可有效提高复合材料的拉伸强度和拉伸模量，当纤维含量达60%时，其拉伸性能达到最大。提高纤维含量可有效地提高复合材料抗弯强度及弯曲模量，当纤维含量达70%时，其抗弯性能达到最大。综合成本及材料特性考虑，最优制备工艺为椰壳纤维/玻璃纤维体积比1∶1，纤维含量70%。椰壳纤维的添加提高了材料在自来水、蒸馏水和海水等介质中的吸湿效率，降低材料在250~550 ℃区间的热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.018.F007