棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能研究

陳卉穎 孫 菲 張惠萍 晏 雄

(紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能研究

陳卉穎 孫 菲 張惠萍 晏 雄

(紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

以棕櫚纖維為增強(qiáng)材料，聚丙烯高聚物為基體，采用模壓成型工藝制備復(fù)合材料。通過正交實(shí)驗(yàn)法分析各個(gè)工藝條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，以探求最佳工藝參數(shù)。

棕櫚纖維，聚丙烯，正交實(shí)驗(yàn)

隨著環(huán)境意識(shí)材料的提出，天然纖維由于具有環(huán)境友好、生物可降解等特性而備受關(guān)注，而天然纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有價(jià)廉、質(zhì)輕等優(yōu)勢，其研究與開發(fā)力度日益加強(qiáng)［1］。因此，天然纖維復(fù)合材料將在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。

近年來，相繼從植物中開發(fā)了香蕉葉纖維、菠蘿葉纖維、構(gòu)樹葉纖維和棕櫚纖維等［2］。香蕉纖維粗短，其可紡性較其他麻類纖維差，但易于染色，適于紡中高檔紗;菠蘿葉纖維較柔軟、強(qiáng)度大而伸長小，其可紡性能和成紗質(zhì)量介于亞麻與黃麻之間;構(gòu)樹葉纖維光澤柔和、顏色潔白、有絲質(zhì)外觀，且吸濕性好，該纖維制成的織物將會(huì)有較好的穿著舒適性，其物理性能均表明該纖維具有較好的可紡性［3］。棕櫚葉纖維強(qiáng)度高、斷裂伸長率較大，約是劍麻纖維和菠蘿葉纖維的4～6倍，初始模量與菠蘿葉纖維接近［3］。棕片纖維剛度、強(qiáng)度、柔韌性適中，是一種較理想的骨架材料［4］。主要可用作墊材(如床墊材料、座靠墊材料)、緩沖材料、包裝材料、過濾材料等［5］。

棕樹是熱帶、亞熱帶作物，在我國的南方，棕樹到處都有，是一種廉價(jià)的纖維資源。但是，長期以來棕櫚用來制作蓑衣和棕繩，沒有得到充分利用。目前已對棕櫚纖維的理化性能有了初步研究［6］。棕櫚纖維不受化學(xué)腐蝕作用的影響，并能在廣泛的溫度范圍內(nèi)抵抗不同強(qiáng)度的酸、堿及其類似物質(zhì)的腐蝕作用。單根棕纖維是由許多棕纖維細(xì)胞緊密排列而成的，雜細(xì)胞極少，纖維細(xì)胞之間結(jié)合非常緊密，故在宏觀上表現(xiàn)出整體性，不易分解或拉斷。棕纖維細(xì)胞的寬度一般為十幾微米，長度從幾百微米到幾千微米不等，壁腔比約為0.5，韌性良好，故棕纖維在宏觀上也具有極好的彈性及韌性，甚至彎曲180°也不會(huì)折斷。

本文利用棕櫚纖維優(yōu)良的力學(xué)性能，將其作為增強(qiáng)材料添加到聚丙烯基體中制備成復(fù)合材料，并對其相關(guān)參數(shù)影響棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

棕櫚纖維(國產(chǎn)山棕棕片纖維);聚丙烯(上海滋利工貿(mào)有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電子天平:EA2004A上海精天電子儀器有限公司;平板硫化機(jī):XLB-400X400X2上海齊才液壓機(jī)械有限公司;微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī):WDW-20上海華龍測試儀器公司。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為考察硫化機(jī)熱壓工藝參數(shù)(包括熱壓時(shí)間、溫度、壓強(qiáng))對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，選擇拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長、彈性模量作為實(shí)驗(yàn)測試評(píng)價(jià)指標(biāo)，熱壓時(shí)間、溫度、壓強(qiáng)作為因素，每個(gè)因素考查三個(gè)水平，進(jìn)行三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。選用的正交表為L9(34)，該表表明最多可安排4個(gè)因素，只要安排9次實(shí)驗(yàn)即可。各因素及其水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 因素及水平分配表

將山棕棕片用清水洗凈，常溫晾干后從中抽取出單根棕纖維，呈0°平行等距排列于兩層聚丙烯薄膜之間，單層聚丙烯薄膜密度為0.93 g/cm2，纖維在預(yù)制件中的含量為6%。根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)條件，采用模壓工藝將預(yù)制件放在平板硫化機(jī)上熱壓成型，模具為平板敞開式。熱壓結(jié)束后將壓片從硫化機(jī)中取出，在室溫下自然冷卻固化后，裁成140 mm×20 mm×1 mm的拉伸試樣。用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣夾持的夾距為40 mm，拉伸速度為5 mm/min。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 制備工藝參數(shù)對拉伸強(qiáng)度的影響

對表2的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3。其中K1、K2、K3分別為各因素各水平對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度值之和，k1、k2、k3分別為某一因素下各水平對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度平均值。3個(gè)因素對應(yīng)的極差分別為 0.6、6.3、6.5。第二列和第三列極差相對較大，即因素B和因素C對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度顯著，硫化溫度和壓強(qiáng)分別取160℃和1.5 MPa最好;因素A對拉伸強(qiáng)度影響最小，結(jié)果顯示時(shí)間取10 min最好，但三個(gè)時(shí)間參數(shù)對拉伸強(qiáng)度影響幾乎一樣。這也可以從圖1所反映的因素趨勢中明顯看出來。各因子主次順序依次為C、B、A。優(yōu)化方案為 C2B3A3，即壓強(qiáng)為 1.5 MPa，溫度為160℃，時(shí)間為10 min。該方案與9號(hào)試驗(yàn)相吻合，試樣9的拉伸強(qiáng)度為最高。

表3 拉伸強(qiáng)度極差分析

熱處理對聚丙烯力學(xué)性能變化與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化關(guān)系密切，溫度較高時(shí)聚丙烯充分熔融，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度發(fā)生了變化，同時(shí)浸漬棕櫚纖維增強(qiáng)體，在適當(dāng)壓力下冷卻形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、結(jié)晶度增大的材料。因此，當(dāng)負(fù)荷加載于材料沿纖維排列的方向上時(shí)，由于棕櫚纖維與基體緊密接觸能夠承擔(dān)基體內(nèi)的應(yīng)力，且基體結(jié)晶度增大，強(qiáng)度增大，使得材料的拉伸強(qiáng)度得到提高。

3.2 制備工藝參數(shù)對斷裂伸長率的影響

試樣的拉伸強(qiáng)度僅反映的是其抵抗外界應(yīng)力的能力，斷裂伸長則體現(xiàn)了材料的韌性。因此，對強(qiáng)度有利的實(shí)驗(yàn)方案并不一定能使材料獲得良好的韌性，需要對復(fù)合材料斷裂伸長進(jìn)行極差分析。結(jié)果見表4，各因素主次順序依次為C、B、A，優(yōu)化方案為C2B3A1，除了因素A(時(shí)間)取4 min與拉伸強(qiáng)度優(yōu)化方案中A取10 min不一致外，其他兩個(gè)因素所取水平值都一樣。這是因?yàn)殡S著熱壓時(shí)間延長，聚丙烯基體能夠充分熔融，流動(dòng)浸漬棕櫚纖維增強(qiáng)體，增加了纖維與基體界面緊密粘合的機(jī)會(huì)，且聚丙烯結(jié)晶度增加并趨于穩(wěn)定，但過長的時(shí)間會(huì)使聚丙烯沖擊強(qiáng)度下降，斷裂伸長率下降［7］。

表4 斷裂伸長率極差分析

由于優(yōu)化方案C2B3A1沒有出現(xiàn)在9個(gè)試樣中，再對因素趨勢進(jìn)行直觀分析，如圖1所示。從因素變化的趨勢表現(xiàn)來看，當(dāng)熱壓時(shí)間取10 min時(shí)試樣的斷裂伸長率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，且效果較好，斷裂伸長率為32%。因此試樣9與這個(gè)優(yōu)化方案最接近，為C2B3A3，與拉伸強(qiáng)度的最優(yōu)處理相吻合。

圖1 拉伸強(qiáng)度因素趨勢

3.3 制備工藝參數(shù)對彈性模量的影響

下面從彈性模量角度分析，進(jìn)一步確定最佳工藝參數(shù)。根據(jù)表5分析圖2的彈性模量因素趨勢圖可知，對指標(biāo)影響最大的是因素B(熱壓溫度)，以B3最好，其次是B2;因素C對指標(biāo)的影響也很顯著，當(dāng)水平為C2時(shí)，模量值獲得了大幅提高;因素A對指標(biāo)的影響不明顯，在三個(gè)水平下的彈性模量平均值變化不大。這與對拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長的分析不一致，熱壓溫度成為影響彈性模量最重要的因素。在預(yù)制件的熱壓固化過程中，棕櫚纖維并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，起變化的只是聚丙烯基體，當(dāng)設(shè)定的熱壓溫度較高時(shí)，聚丙烯薄膜熔化速率加快，分子鏈之間的交聯(lián)反應(yīng)增多，分子量增大，在適當(dāng)壓強(qiáng)作用下，能夠形成致密性高，缺陷少的制品并且具備較高的抵抗形變的能力。

表5 彈性模量極差分析

圖2 斷裂伸長率因素趨勢

從極差分析中得出的優(yōu)化方案為C2B3A2，即壓強(qiáng)為1.5 MPa，溫度為160℃，時(shí)間為7 min。該方案沒有出現(xiàn)在9個(gè)方案中，但試樣9與之最接近，即為 C2B3A3，模量在9個(gè)試樣中最高，達(dá)到 4 020.5 MPa。

圖3 彈性模量因素趨勢

4 結(jié)論

綜合棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長和彈性模量的結(jié)果分析，制備工藝參數(shù)的優(yōu)化方案為 C2B3A3，熱壓溫度(因素2)和壓強(qiáng)(因素3)都是對該復(fù)合材料三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)作用顯著的因素，且根據(jù)相關(guān)圖表分析一致得出，因素B和C分別取160℃、1.5 MPa對材料力學(xué)性能效果最好。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，硫化熱壓溫度不宜過低，壓強(qiáng)不能太高，但是由于熱壓時(shí)間對材料力學(xué)性能的影響很小，可以考慮稍短點(diǎn)，這對于生產(chǎn)節(jié)省成本，降低能耗，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］刁均艷，潘志娟.黃麻、苧麻及棕櫚纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與性能［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2008，28(6):39-43.

［2］劉曉霞，茅琛.棕葉纖維性能研究［J］.上海紡織科技，2006，34(9):20-21.

［3］劉曉霞，徐慧卿.棕葉纖維強(qiáng)度和染色性能探討［J］.上海工程科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，21(1):78-82.

［4］蔡志奇.膠粘纖維彈性材料的開發(fā)應(yīng)用［J］.中國膠粘劑，1995，4(4):25-28.

［5］曾昭乾，朱利軍.棕櫚纖維彈性材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.應(yīng)用科技，2006(1):23-24.

［6］張同華，李曉龍，程嵐，毛龍.棕櫚纖維的性能及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010(6):35-38.

［7］徐濤，于杰，金志浩.熱處理對聚丙烯結(jié)晶度及力學(xué)性能的影響［J］.貴州科學(xué)，1999，17(4):260-265.

Study on mechanical properties of palm fiber reinforced polypropylene composites

Chen Huiying，Sun Fei，Zhang Huiping，Yan Xiong
(The Key Lab of Textile Science and Technology，Ministry of Education;College of Textiles，Donghua University)

By using the palm fiber as reinforcement and polypropylene as matrix，a type of composites were prepared by compression molding process.The effect of process conditions on mechanical properties of composites was analyzed by orthogonal experimental method in order to explore optimum craft parameters.

palm fiber，polypropylene，orthogonal experimental method

TB332

A

1004－7093(2011)10－0027－04

2011－05－30

陳卉穎，女，1987年生，在讀碩士研究生。主要從事紡織復(fù)合材料研究。

晏雄，E-mail:yaxi@dhu.edu.cn