改性棕櫚纖維及其增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

(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)

棕櫚纖維作為一種優(yōu)良的天然纖維，近年來(lái)得到相關(guān)研究人員的青睞。我國(guó)棕櫚纖維原料眾多，若能得以開(kāi)發(fā)利用將提升棕櫚產(chǎn)品附加值，直接帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益，且有利于環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排及可持續(xù)發(fā)展。對(duì)棕櫚纖維力學(xué)性能的初步研究表明，棕櫚纖維斷裂強(qiáng)度較高，纖維較長(zhǎng)，線密度遠(yuǎn)比劍麻纖維小，斷裂伸長(zhǎng)率較大，初始模量與菠蘿葉纖維接近［1］。單根棕櫚纖維中棕櫚細(xì)胞緊密排列，雜細(xì)胞極少，纖維整體性強(qiáng)，不易分解或拉斷;韌性良好，甚至彎曲180°也不會(huì)折斷［2］。因此棕櫚纖維可應(yīng)用到復(fù)合材料制備中。

樹(shù)脂與纖維的黏結(jié)性能很大程度上決定了復(fù)合材料的力學(xué)性能。天然纖維具有強(qiáng)親水性，和疏水性樹(shù)脂之間的界面性能較差，通常需要通過(guò)纖維表面處理來(lái)改善天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能。在大多數(shù)情況下，未處理的植物纖維增強(qiáng)熱塑性材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率低于純熱塑性材料，并隨著植物纖維填充量的增加而下降，且斷裂伸長(zhǎng)率下降顯著。

本文在不同條件下對(duì)棕櫚纖維進(jìn)行堿處理和熱處理，結(jié)合正交試驗(yàn)分析，探討最優(yōu)堿處理和熱處理?xiàng)l件，為開(kāi)發(fā)該類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料

國(guó)產(chǎn)棕櫚葉鞘纖維，西南大學(xué);均聚聚丙烯薄膜，上海滋利工貿(mào)有限公司。

1.2 設(shè)備

XLB-400×400×2型平板硫化機(jī)，上海齊才液壓機(jī)械有限公司;WDW-20型微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，上海華龍測(cè)試儀器公司;OCA 15EC型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó) Data Physics公司;EA2004A型電子天平，上海精天電子儀器有限公司。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

測(cè)試橫向拉伸強(qiáng)度作為復(fù)合材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試?yán)w維的靜態(tài)接觸角作為纖維浸潤(rùn)性能變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、堿處理時(shí)間(C)、熱處理溫度(B)、熱處理時(shí)間(D)作為因素，其中堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱處理溫度考察4個(gè)水平，堿處理、熱處理時(shí)間考察3個(gè)水平，進(jìn)行4因素混合水平正交試驗(yàn)。選用的正交表為L(zhǎng)16(45)，第5列為空列，試驗(yàn)次數(shù)為16，其中C、D的1、4水平重復(fù)。各因素及其水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 因素水平分配表

將山棕棕片用清水洗凈，常溫晾干后從中抽取出單根棕櫚纖維。根據(jù)正交表安排試驗(yàn)方案，對(duì)纖維進(jìn)行堿處理和熱處理。

3 試驗(yàn)

3.1 棕櫚纖維-聚丙烯復(fù)合材料的制備

將改性處理后的纖維按90°方向等距平行排列于上下2層PP薄膜間，采用鐵板固定制備好的預(yù)制件。纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為5%。采用模壓工藝進(jìn)行熱壓成型，模壓工藝參數(shù)［3］為:溫度160℃、壓強(qiáng)1.5 MPa、熱壓時(shí)間10 min。常溫自然冷卻固化備用。

3.2 橫向拉伸強(qiáng)度測(cè)試

用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)控制參數(shù)參照GB 1447—2005。試樣尺寸為200 mm×25 mm×0.5 mm，試樣夾持的隔距為100 mm，拉伸速度為5 mm/min。

3.3 靜態(tài)接觸角測(cè)試

將處理過(guò)的單根棕櫚纖維平行緊密排列于載玻片上，并置于恒溫恒濕室平衡24 h。靜態(tài)接觸角測(cè)試時(shí)每種纖維測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，取其平均值。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

拉伸強(qiáng)度和纖維靜態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度和經(jīng)處理的棕櫚纖維靜態(tài)接觸角試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析(如表3所示)。根據(jù)因素指標(biāo)效應(yīng)曲線圖(圖1和圖2)可得:針對(duì)橫向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，各因素主次為B→A→C→D，優(yōu)化工藝為A2B2C1D2;針對(duì)靜態(tài)接觸角試驗(yàn)，各因素主次為 A→D→B→C，優(yōu)化工藝為A3B2C2D4。采用綜合平衡法選取最優(yōu)工藝，經(jīng)綜合評(píng)定優(yōu)化工藝為A2B2C1D1。從試驗(yàn)結(jié)果可知，此工藝對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值最大為32.22 MPa，比未處理時(shí)強(qiáng)度(17.27 MPa)提高了86.6%。所以最優(yōu)試驗(yàn)處理工藝為:堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，熱處理溫度110℃，堿處理時(shí)間12 h，熱處理時(shí)間30 min。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析可知(如表4所示):因素A對(duì)接觸角的影響高度顯著，因素D對(duì)接觸角的影響顯著，因素B、C對(duì)接觸角無(wú)顯著性影響;各因素對(duì)橫向拉伸強(qiáng)度均無(wú)顯著性影響。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表3 極差分析

圖1 橫向拉伸強(qiáng)度效應(yīng)曲線圖

圖2 靜態(tài)接觸角效應(yīng)曲線圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)表面處理的棕櫚纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度得到很大提高。隨著堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱處理溫度及熱處理時(shí)間的增加，橫向拉伸強(qiáng)度先增大后減小;隨著堿處理時(shí)間的增加，拉伸強(qiáng)度減小。這主要是因?yàn)閴A溶解了棕櫚纖維中的部分果膠、木質(zhì)素和半纖維素等低分子雜質(zhì)，纖維表面的雜質(zhì)被除去，纖維表面變得粗糙，增加了機(jī)械鎖結(jié)作用，同時(shí)與基體的有效接觸面積增加，有利于改善纖維與基體的界面性能。從圖1可看出，堿處理時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度的損失越大。另外，纖維中含有的吸附水如不除去，纖維在與基體復(fù)合時(shí)，基體固化過(guò)程中水分子的揮發(fā)使復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生大量氣孔，導(dǎo)致復(fù)合材料性能惡化。本試驗(yàn)適當(dāng)?shù)臒崽幚沓チ俗貦袄w維中的吸附水，且使纖維因熱作用產(chǎn)生的強(qiáng)度損失小于整體復(fù)合材料強(qiáng)度的增量，從而保證了復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

從表2可看出，經(jīng)過(guò)堿處理和熱處理后，棕櫚纖維的靜態(tài)接觸角均有所增加，纖維浸潤(rùn)性能降低。其中接觸角最大達(dá)到60.57°，較未處理時(shí)的43.58°增大了39.0%。這主要是因?yàn)閴A溶解除去了纖維中的親水性物質(zhì)，熱處理除去了纖維中的吸附水，使纖維的表面張力發(fā)生了改變。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)分析得出，用于聚丙烯基復(fù)合材料的棕櫚纖維的堿處理、熱處理最優(yōu)工藝為:堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，熱處理溫度110℃，堿處理時(shí)間12 h，熱處理時(shí)間30 min。

(2)堿處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)棕櫚纖維浸潤(rùn)性的影響高度顯著，熱處理時(shí)間對(duì)棕櫚纖維浸潤(rùn)性的影響顯著。

(3)經(jīng)堿處理和熱處理后，棕櫚纖維的水浸潤(rùn)性能降低，最大接觸角(60.57°)較未處理時(shí)(43.58°)增大了39.0%;經(jīng)處理后纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最大橫向強(qiáng)度較未處理時(shí)提高了86.6%。

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

［2］ 曾昭干，朱利軍.棕櫚纖維彈性材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)西部科技，2006(1):23-24.

［3］ 陳卉穎，孫菲，張慧萍，等.棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能研究［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011，29(10):27-30.