響應(yīng)面法優(yōu)化亞麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制造工藝1)

張一鳴 袁 媛 郭明輝

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，尋求可再生資源制備高分子材料成為高分子科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的一大方向。用天然植物纖維材料與石油來(lái)源的塑料制備的復(fù)合材料，在汽車(chē)內(nèi)飾部件、建筑結(jié)構(gòu)部件、室內(nèi)外裝修裝飾材料等領(lǐng)域已有較廣泛應(yīng)用［1］。Plackett等［2］將黃麻纖維做成纖維氈，隨后與聚乳酸薄膜疊加、模壓后制得復(fù)合材料板材;Oksman等［3］采用雙螺桿擠壓機(jī)將亞麻纖維與聚乳酸樹(shù)脂進(jìn)行混合后，經(jīng)模壓成型制備的復(fù)合材料板材硬度可達(dá)到8.4 GPa;Shanks等［4］采用隙化聚合的方法制備了亞麻增強(qiáng)聚乳酸基復(fù)合材料，并得出材料的儲(chǔ)能模量為 0.77 GPa;王春紅等［5］以亞麻落麻纖維、聚乳酸纖維為原料，采用模壓工藝將預(yù)成型件制成亞麻落麻纖維/聚乳酸基完全可降解復(fù)合材料;張文娜等［6］研究了預(yù)成型件的鋪層角度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。本研究采用層結(jié)構(gòu)鋪裝對(duì)亞麻纖維與聚乳酸纖維進(jìn)行熱壓復(fù)合，制得生物降解材料。利用響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件，在試驗(yàn)范圍內(nèi)確定最優(yōu)工藝條件，為亞麻纖維增強(qiáng)聚乳酸生物降解材料性能分析提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

原材料來(lái)源:聚乳酸纖維(PLA)購(gòu)于江陰市杲信化纖有限公司，在真空烘箱中于80℃下干燥8 h，保存在干燥器中待用。亞麻纖維由哈爾濱昌隆亞麻紡織有限公司提供。乙烯基三乙氧基硅烷 (HD－硅烷)購(gòu)于廣州皓基貿(mào)易有限公司，用于纖維表面偶聯(lián)劑改性。無(wú)水乙醇為分析純?cè)噭?gòu)于天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

設(shè)備與儀器:SL－6型塑料壓力成型機(jī)(哈爾濱特種塑料制品有限公司生產(chǎn))、RG7－20A微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(深圳市瑞格爾儀器有限公司生產(chǎn))、DHG－9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海益恒實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn))、自制木框模具規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為200 mm×200 mm×150 mm。

工藝流程:先將亞麻纖維進(jìn)行預(yù)處理，即將m(硅烷)∶m(乙醇)=1∶1配制的溶液按一定比例均勻噴灑在已干燥的亞麻纖維上，在空氣中放置2 d，再在干燥室中100℃干燥2 h。為了防止熱壓過(guò)程中過(guò)多水蒸氣的產(chǎn)生，在熱壓前需將亞麻纖維和聚乳酸(PLA)制成氈墊，并在80℃條件下干燥10 h。試驗(yàn)采用層壓法，取定量亞麻氈墊和PLA氈墊，手工分層鋪裝成幅面為200 mm×200 mm的板坯，熱壓成目標(biāo)密度為1.0 g/cm3、厚度為3.0 mm的纖維板(圖1)，厚度采用厚度規(guī)控制。

圖1 亞麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料的復(fù)合原理圖

設(shè)計(jì)及方法:本試驗(yàn)選取亞麻纖維用量、硅烷用量和熱壓溫度為可變因素。經(jīng)過(guò)前期單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，確定亞麻纖維用量為30% ～50%，硅烷用量為1% ～5%，熱壓溫度為170～190℃，熱壓壓力為3 MPa，熱壓時(shí)間5 min。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以亞麻用量、硅烷用量和熱壓溫度為自變量，以拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量為響應(yīng)值，應(yīng)用Design Expert軟件，選擇3因素3水平的Box－Behnken模型進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化復(fù)合材料的工藝條件。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

性能測(cè)試:本研究拉伸試驗(yàn)使用 ASTM(D63814)標(biāo)準(zhǔn)的矩形試片，拉伸速度5 mm/min，標(biāo)距65 mm;彎曲試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲法，使用ASTM(D790)標(biāo)準(zhǔn)，彎曲速度5 mm/min，跨距90 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞麻纖維用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

預(yù)試驗(yàn)中設(shè)定不同因素范圍:亞麻纖維用量10% ～50%，硅烷用量1% ～9%，熱壓溫度170～210℃。在單因素試驗(yàn)中，其不變因素值均取范圍中間值。當(dāng)亞麻纖維用量變化時(shí)，硅烷用量為5%，熱壓溫度為190℃。

由圖2可知，當(dāng)亞麻用量在10% ～50%的范圍變化時(shí)，試板的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量隨亞麻用量的增加而升高，其中拉伸強(qiáng)度由14.56 MPa增加到47.17 MPa，提高了 223.9%;拉伸模量從 2.14 GPa增加到 5.82 GPa，提高了 171.9%。

圖2 亞麻纖維用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

彎曲性能隨著亞麻纖維用量從10%增加到40%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有明顯的提高，彎曲強(qiáng)度由28.68 MPa 增加到 36.97 MPa，增幅為28.9%;但是，當(dāng)亞麻纖維用量從40%增加到50%時(shí)，試件的彎曲強(qiáng)度反而有所下降。這說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，由于亞麻纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量等力學(xué)性能，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著亞麻纖維用量的增加而提高;但是，隨著亞麻纖維用量的繼續(xù)增加，其復(fù)合材料中PLA纖維的含量相應(yīng)地減少，可能會(huì)導(dǎo)致相鄰亞麻纖維及層與層之間的黏著力下降［7］。因此亞麻纖維用量范圍30%～50%為宜。

2.2 硅烷用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖3可見(jiàn)，在亞麻纖維用量為30%、熱壓溫度為190℃的條件下，硅烷用量在1% ～9%的范圍變化時(shí)，試板的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸模量隨硅烷用量的增加而先升高后降低，其中硅烷用量在1% ～5%的范圍時(shí)，拉伸強(qiáng)度由39.83 MPa增加到52.64 MPa，提高了32.1%;拉伸模量由4.86 GPa 提高到 6.35 GPa，提高了 30.7%;彎曲強(qiáng)度由 28.79 MPa 增加到36.42 MPa，提高了26.5%;彎曲模量變化不大。

這說(shuō)明在酸性條件下，由于硅烷偶聯(lián)劑的一部分基團(tuán)能更有效地與亞麻纖維表面的羥基發(fā)生酯化等化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，削弱亞麻纖維表面的極性［8］，而另一部分基團(tuán)可與PLA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理纏繞，從而將兩種極性差別很大的填充材料與亞麻質(zhì)基體結(jié)合起來(lái)［9］，使亞麻纖維與PLA之間的親和力有所提高，有利于PLA對(duì)亞麻纖維的包覆，形成黏結(jié)強(qiáng)度良好的界面層，使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。

圖3 硅烷用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

基于偶聯(lián)劑的單分子層理論［10］，當(dāng)硅烷用量超過(guò)5%這一臨界點(diǎn)時(shí)，偶聯(lián)劑在無(wú)機(jī)和有機(jī)物之間的厚度超過(guò)單分子層而堆砌為多分子層，因硅烷偶聯(lián)劑本身強(qiáng)度較低，故無(wú)機(jī)物與有機(jī)體之間會(huì)存在薄弱區(qū)，使界面強(qiáng)度降低，進(jìn)而復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。因此，本試驗(yàn)中硅烷用量范圍為1%～5%比較適宜。

2.3 熱壓溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在亞麻纖維用量為30%、硅烷用量為5%的條件下，熱壓溫度在170～190℃的范圍變化時(shí)，試板的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸模量和彎曲模量均隨熱壓溫度的升高緩慢升高，當(dāng)熱壓溫度從190℃升高到210℃時(shí)力學(xué)性能均降低。這說(shuō)明，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，熱壓過(guò)程中PLA融化之后會(huì)溢出亞麻表面，從而沒(méi)有被PLA包裹的亞麻纖維在受力時(shí)，使得復(fù)合材料的脆性增加，容易斷裂，或者引起纖維的降解，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能［11］。因此，本試驗(yàn)中的熱壓溫度范圍設(shè)定在170～190℃。

2.4 基于響應(yīng)面分析法的工藝優(yōu)化

由工藝條件對(duì)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖(圖4)可以看出，亞麻纖維用量、硅烷用量因素間的交互作用對(duì)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響最為顯著。在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)回歸模型，通過(guò)Design Expert軟件分析得出最佳工藝條件為:亞麻纖維用量43.22%，硅烷用量4.3%，熱壓溫度190℃。拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的預(yù)測(cè)值分別為54.23MPa、3.42GPa、36.45MPa和2.58 GPa?？紤]到實(shí)際操作的便利，確定制板最佳工藝條件為:亞麻纖維用量43%，硅烷用量4%，熱壓溫度190℃。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了證實(shí)預(yù)測(cè)的結(jié)果，試驗(yàn)中得到的最佳工藝條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，各力學(xué)指標(biāo)平均值分別為:拉伸強(qiáng) 度49.70MPa，拉伸模量3.12GPa，彎曲強(qiáng)度33.50 MPa，彎曲模量 2.34 GPa?；貧w模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在8%以?xún)?nèi)，說(shuō)明該方程與實(shí)際情況擬合很好，說(shuō)明響應(yīng)面法適用于該生物降解材料的工藝優(yōu)化分析。

3 結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著亞麻纖維用量(10% ～50%)的增加，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量不斷升高，而彎曲強(qiáng)度和彎曲模量先升高后降低，故亞麻纖維用量范圍確定為30% ～50%;隨著硅烷用量(1% ～9%)的增加，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸模量先升高后降低，彎曲模量變化不明顯，故硅烷用量范圍為1% ～5%;隨著熱壓溫度(170～210℃)的升高，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸模量和彎曲模量都隨之降低，故熱壓溫度范圍設(shè)定在170～190℃。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)響應(yīng)面法綜合分析確定復(fù)合材料的最優(yōu)工藝參數(shù)為:亞麻用量43%，硅烷用量4%，熱壓溫度190℃。該工藝條件下制得的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為 49.70 MPa、3.12 GPa、33.50 MPa 和 2.34 GPa。

圖4 工藝條件對(duì)拉伸強(qiáng)度(A)和彎曲強(qiáng)度(B)的影響

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