亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的制備及拉伸、頂破性能

焦亞男，祁小芬，吳 寧，崔 萍

（1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730050）

亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的制備及拉伸、頂破性能

焦亞男1，祁小芬1，吳 寧1，崔 萍2

（1.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州730050）

以亞麻纖維作為增強(qiáng)纖維，以聚丙烯纖維作為樹脂基體，通過模壓成型工藝方法，制備了綠色環(huán)保型亞麻/聚丙烯復(fù)合材料，主要研究了纖維長度、模壓溫度及保溫時間對復(fù)合材料拉伸性能及頂破性能的影響.結(jié)果表明：模壓溫度對復(fù)合材料性能的影響最顯著；當(dāng)纖維長度為5 mm、模壓溫度為180℃、保溫時間為40 min時，復(fù)合材料的拉伸性能最優(yōu)；在纖維長度為5 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為40 min時，復(fù)合材料的耐頂破性能最優(yōu).

亞麻；聚丙烯；復(fù)合材料；模壓成型；拉伸性能；頂破性能

隨著工業(yè)化進(jìn)程加快，生態(tài)環(huán)境危機(jī)及能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重，因此尋找環(huán)境親和力好、可循環(huán)利用、價格低廉、重量輕的材料已迫在眉睫.聚丙烯纖維相對密度低、熔點低、價格低廉、原料來源廣、電絕緣性好、屈服和拉伸強(qiáng)度高、彈性模量高、耐應(yīng)力龜裂、耐化學(xué)藥品、無毒無味、光澤和透明度好，其制品可重復(fù)加工利用，是典型的綠色材料[1].亞麻纖維與玻璃纖維、碳纖維等人造纖維相比，具有密度低、價格低廉、韌性高、可再生、可生物降解、比強(qiáng)度高的特點[2-3]，而如今很多的植物纖維被用于燃料方面，有些甚至直接燒掉，不僅沒有合理開發(fā)利用，而且對大量的植物資源造成浪費(fèi)，使環(huán)境受到污染.因此，開發(fā)利用天然植物纖維新的應(yīng)用領(lǐng)域，充分利用它的資源優(yōu)勢，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的目的[4].如今，天然纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于建筑材料、汽車內(nèi)飾材料以及各種新興產(chǎn)業(yè)，如復(fù)合門窗框、扶梯、手柄、車內(nèi)試件、吸噪音板、浴缸和辦公用品、高速公路路牌等.用天然纖維復(fù)合材料作地板，不脹縮、防水、表面美觀，比用中密度木質(zhì)纖維板要優(yōu)越得多[5].亞麻纖維增強(qiáng)塑料具有很好的抗疲勞性和抗蠕變性能，而且無污染、質(zhì)量輕、成本低，是近年來研究的熱點之一[6].眾多專家學(xué)者對亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的拉伸性能有不同的研究，但主要集中于對亞麻/聚丙烯針織物、機(jī)織物復(fù)合材料的性能研究[7-9]，對亞麻/聚丙烯短纖維復(fù)合材料的研究局限于軸向拉伸性能，對面內(nèi)其他方向的拉伸性能研究較少.亞麻/聚丙烯短纖維復(fù)合材料具有柔性復(fù)合材料的一些特性，它與熱固性或熱塑性樹脂基復(fù)合材料相比有較大的變形范圍，在實際應(yīng)用中不可避免地涉及頂破加載的情況，因此研究亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的頂破行為對其應(yīng)用價值具有十分重要的意義.本文以亞麻纖維作為增強(qiáng)體，以熱塑性聚丙烯作為基體，運(yùn)用三因素三水平正交實驗設(shè)計方法設(shè)計了不同參數(shù)的亞麻/聚丙烯復(fù)合材料板材，將預(yù)制件經(jīng)模壓成型復(fù)合成板材，討論了亞麻/聚丙烯復(fù)合材料板材在面內(nèi)0°、45°、90°方向的拉伸性能，并且研究了復(fù)合材料的頂破性能，討論了纖維長度、模壓溫度、模壓保溫時間對于復(fù)合材料拉伸及頂破性能的影響.

1 實驗部分

1.1 主要原料及設(shè)備

原料：亞麻纖維，脫膠后的亞麻工藝?yán)w維，蘭州三毛股份有限公司提供；聚丙烯纖維，拉伸強(qiáng)度為3.2 cN/dtex，密度為0.91 g/cm3，甘肅紡織研究所提供.

設(shè)備：QLB-T350×350×2型平板硫化機(jī)，青島光越橡膠機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；電子天平，福州皓豐儀器儀表有限公司產(chǎn)品；YG026D-500型電子織物強(qiáng)力儀，常州紡織電子儀器廠有限公司產(chǎn)品.

1.2 實驗方案

先分別將亞麻纖維與聚丙烯纖維截成長度為5 mm、10 mm、15 mm的短纖維，亞麻/聚丙烯混合比為50/50（崔萍等[10-12]用實驗證明了亞麻纖維與聚丙烯纖維的混合比例為50/50時，復(fù)合材料板材性能最優(yōu)）.在小型梳毛機(jī)上均勻混合，梳理成為纖維網(wǎng).分別將梳理好的不同纖維長度的纖維網(wǎng)按照模具規(guī)格：250 mm×200 mm的進(jìn)行裁剪，裁剪時寬度方向平行于纖維梳理方向，因為梳理好的纖維網(wǎng)比較薄，要進(jìn)行多層平鋪，直到纖維網(wǎng)重量達(dá)55 g.將稱量好的3種長度的纖維網(wǎng)分別準(zhǔn)備9塊，共27塊，在平板硫化機(jī)上壓制復(fù)合材料板材.按照三因素三水平設(shè)計正交實驗方案，如表1所示.

聚丙烯纖維的熔融溫度約為170℃，本實驗設(shè)計溫度保證聚丙烯纖維能熱熔并能完全流動.壓制時間太短，板材粘結(jié)不好，易分層，強(qiáng)度低；壓制時間太長，板材分解變色，板材變硬，性能下降.

表1 三因素三水平正交表Tab.1 Three factors and three levels orthogonal table

1.3 復(fù)合材料板材制作

將不同纖維長度的纖維網(wǎng)按照表1控制成型條件，在平板硫化機(jī)上分別壓制9種板材，這9種板材每種做相同的3塊，以便3種方向力學(xué)性能的測量.

本實驗選用模壓成型工藝，溫度、時間由機(jī)器自動控制，壓力不能調(diào)節(jié).首先把溫度調(diào)到預(yù)定溫度，等接近預(yù)定溫度時取下模具，在陰模和陽模兩面分別均勻地涂刷脫模劑，將稱好的纖維網(wǎng)放入模具中，然后放入平板硫化機(jī)內(nèi)，按照工藝設(shè)計控制成型條件，達(dá)到保溫時間后取下模具，常溫下冷卻1 h，可制得復(fù)合材料板材.壓制得到的板材厚度約為2 mm，重量略少于55 g.

2 拉伸性能測試

2.1 拉伸試樣制作

本實驗共設(shè)計9組對比試驗，把板材的長度方向定為0°方向，寬度方向定位90°方向，斜向為45°方向，其中寬度方向為纖維梳理成網(wǎng)方向.分別將每組試驗的3塊板材按照0°、45°、90°方向裁剪.在拉伸性能測試中為了防止夾頭在夾持位置夾斷纖維，保障試樣盡可能在中部斷裂，試樣如圖1所示，試樣規(guī)格參數(shù)如表2所示.

圖1 復(fù)合材料拉伸試樣Fig.1 Composite tensile specimen

表2 復(fù)合材料試樣參數(shù)Tab.2 Parameters of test samples

2.2 測試步驟

（1）實驗拉伸標(biāo)準(zhǔn)為GB/T-1446-2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗方法總則》和GB1040-92《塑料拉伸性能試驗方法》.拉伸實驗在YG026D-500型電子織物強(qiáng)力儀上進(jìn)行，因為一般的復(fù)合材料力學(xué)性能測試設(shè)備量程較大，而亞麻/聚丙烯復(fù)合材料拉伸斷裂強(qiáng)度低，YG026D-500型電子織物強(qiáng)力儀量程小，精度高，測得數(shù)據(jù)結(jié)果相對精確.

（2）先將試樣夾持到機(jī)器上，夾持不能過緊，防止試樣拉伸前破壞，也不能過松，防止試樣拉伸時滑脫.設(shè)定機(jī)器參數(shù)：拉伸速率為5 mm/min，鉗距為120 mm.

（3）拉伸試驗結(jié)束后記錄數(shù)據(jù)，每組實驗每個方向測5組，取5組平均值.

2.3 測試結(jié)果

板材面內(nèi)3個方向的拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果如表3所示.

表3 拉伸性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of tensile properties

根據(jù)表3中的試驗號1～9中3個方向的拉伸斷裂強(qiáng)度值，可以看出2號試驗方案即在纖維長度為5mm、模壓溫度為180℃、保溫時間為40 min時，0°、45°、90°方向的整體拉伸斷裂強(qiáng)度值最大.7號試驗方案即在纖維長度為15 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為60 min時，0°、45°、90°方向的整體拉伸斷裂強(qiáng)度值最小.2號與7號試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的差異表現(xiàn)出三因素對復(fù)合材料拉伸性能的影響較大.

表4所示為根據(jù)表3做出的優(yōu)化方案分析.

表4中：K1這一行的3個數(shù)，分別是因素A、B、C的第一水平所對應(yīng)的測試指標(biāo)之和，K2、K3對應(yīng)因素A、B、C的第二、第三水平所對應(yīng)的測試指標(biāo)之和；k1、k2、k3分別為K1、K2、K3的平均數(shù)；極差為k1、k2、k3中最大值減最小值[10，12-13].根據(jù)極差可以得到模壓溫度對3個方向拉伸性能的影響最大，因為聚丙烯纖維的熔點約為160～175℃，溫度過低，聚丙烯纖維不能完全熔融，對亞麻纖維的粘結(jié)作用不好；溫度過高則導(dǎo)致聚丙烯纖維熔融分解，使基體相對減少，對亞麻纖維的粘結(jié)力下降.保溫時間與纖維長度對復(fù)合材料板材性能也有一定影響，保溫時間太短，基體微熔融，沒有充分流動，造成復(fù)合材料板材面內(nèi)力學(xué)性能差異，保溫時間過長，則板材變硬變脆.

表4 復(fù)合材料3個方向拉伸性能的極差、優(yōu)化方案分析Tab.4 Range analysis and optimization program of composite’s tensile properties in three directions

2.4 拉伸性能結(jié)果分析

三因素對復(fù)合材料3個方向拉伸性能的影響如圖2所示.

由圖2（a）可以得出，隨著纖維長度的增加，復(fù)合材料板材0°與90°方向的力學(xué)性能降低.在纖維長度為5 mm時，90°方向力學(xué)性能最大，而在纖維長度增加為10 mm及15 mm時，45°方向拉伸性能最好.當(dāng)纖維長度為5 mm時，板材的整體拉伸性能較優(yōu).這是因為當(dāng)纖維長度較短時，聚丙烯與亞麻纖維相對能充分混合均勻，有效減少了當(dāng)聚丙烯纖維熔融時，未混合均勻的地方因缺少增強(qiáng)體而出現(xiàn)的弱點；當(dāng)纖維長度較長時，有些纖維被抽拔出來，因而降低了拉伸斷裂強(qiáng)力.

圖2 三因素對復(fù)合材料3個方向拉伸性能的影響Fig.2 Influence of three factors on tensile properties of composite materials in three directions

由圖2（b）可以看出，模壓溫度對復(fù)合材料的拉伸性能的影響較大，隨著模壓溫度的升高，板材3個方向的拉伸性能均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.在180℃時最優(yōu)，這是因為聚丙烯纖維熔融充分，粘接力越強(qiáng)，材料變硬，因此材料拉伸斷裂強(qiáng)力高.而在模壓溫度為170℃時，板材的拉伸性能明顯低于180℃時，這是因為此時聚丙烯纖維未完全熔融，造成基體少，亞麻增強(qiáng)體未被完全粘結(jié).模壓溫度超過180℃，聚丙烯纖維完全熔融，部分分解，板材變脆，造成性能反而下降.

由圖2（c）可以得出，在模壓保溫時間為40 min時，亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的性能較優(yōu).當(dāng)保溫時間較短時，90°方向性能最好，因為聚丙烯纖維熔融后未充分流動、未充分浸潤亞麻纖維，造成亞麻纖維與聚丙烯的界面結(jié)合較差，而亞麻纖維主要沿90°方向即纖維梳理成網(wǎng)方向排列，纖維成為主要受力部分，因此板材拉伸性能從90°到0°依次降低；同理，當(dāng)模壓保溫時間過長時，聚丙烯部分分解，板材發(fā)黃發(fā)脆，亞麻纖維與聚丙烯界面結(jié)合變差，造成板材性能下降.

3 復(fù)合材料板材頂破性能研究

對復(fù)合材料頂破性能已有研究，如徐英等[14]分析了2種不同頂破條件下（圓頭頂破和尖頭頂破）經(jīng)編雙軸向柔性復(fù)合材料的力學(xué)特性和破壞形式.本實驗采用了圓頭頂伸桿，所用儀器為YG026D-500型電子織物強(qiáng)力儀，試樣裁取成直徑為60 mm的圓形，將試樣固定在規(guī)定的夾具內(nèi)，頂頭以50 mm/min的速度垂直地頂向試樣，直至試樣破裂.與此同時，記錄裝置記錄頂破性能測試結(jié)果如表5、表6所示.

表5 復(fù)合材料頂破性能測試結(jié)果Tab.5 Test results of composite bursting performance

表6 頂破性能的極差、優(yōu)化方案分析Tab.6 Range analysis and optimization program of composite′s bursting performance

從表5中試驗號1～9的實驗數(shù)據(jù)可以得到1號試驗方案即纖維長度為5 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為20 min時，復(fù)合材料的頂破強(qiáng)度及擴(kuò)張度最大.3號與9號試驗方案中的頂破強(qiáng)度與擴(kuò)張度均較小，這是因為溫度太高板材變脆，使得材料頂破強(qiáng)度及擴(kuò)張度下降.

通過極差分析得到，三因素中溫度因素對頂破強(qiáng)度及擴(kuò)張度的影響最大.三因素對復(fù)合材料頂坡性能的影響如圖3所示.

圖3 三因素對復(fù)合材料頂破性能的影響Fig.3 Influence of three factors on bursting performance of composite materials

從圖3可以得出，隨著纖維長度、模壓溫度、保溫時間的不同，復(fù)合材料頂破強(qiáng)度差異較大，擴(kuò)張度差異較小.

由圖3（a）可知，纖維長度對于復(fù)合材料擴(kuò)張度的影響不明顯，在纖維長度為5 mm時，復(fù)合材料的頂破強(qiáng)度最大，這是因為當(dāng)纖維長度較短時，聚丙烯纖維與亞麻纖維相對能充分混合均勻，亞麻纖維與聚丙烯粘結(jié)較好，耐頂破性能加強(qiáng).

由圖3（b）可知，當(dāng)模壓溫度為170℃時，頂破強(qiáng)度及擴(kuò)張度最大，因為溫度較低時，板材中聚丙烯纖維部分熔融，未充分粘結(jié)亞麻纖維，形成的板材較軟，耐頂破性能好；溫度過高，聚丙烯纖維充分熔融粘結(jié)亞麻纖維，形成的板材發(fā)硬發(fā)脆，對外力的緩沖作用減弱，板材變形較小，耐頂破性能變差.

由圖3（c）可知，頂破強(qiáng)度隨著保溫時間的延長先減小后增大，因為保溫時間較短，聚丙烯未完全流動，板材較軟，對外力的緩沖作用強(qiáng)，頂破強(qiáng)度高；保溫時間較長，部分聚丙烯分解，造成亞麻纖維多聚丙烯少，亞麻纖維間的粘結(jié)較弱，對外力的緩沖作用較強(qiáng)，頂破強(qiáng)度增加.

4 結(jié)論

本文主要研究了亞麻/聚丙烯復(fù)合材料的拉伸性能及頂破性能，通過對實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)曲線的分析得出了以下結(jié)論：

（1）通過三因素對力學(xué)性能影響的分析，得出模壓溫度對拉伸性能影響最大，在模壓溫度為180℃時板材中的聚丙烯纖維熔融充分，板材性能最優(yōu).溫度較低時，聚丙烯纖維未完全熔融，亞麻纖維與聚丙烯界面結(jié)合較差，形成的復(fù)合材料板材過軟；模壓溫度過高時，聚丙烯部分分解，復(fù)合材料板材過硬，脆性增加.

（2）通過對0°、45°、90°這3個方向拉伸性能的對比分析，得出隨著纖維長度的增加，復(fù)合材料板材的力學(xué)性能降低，當(dāng)纖維長度為5 mm、模壓溫度為180℃時，復(fù)合材料板材的拉伸斷裂強(qiáng)度最大.在保溫時間為40 min時，3個方向的拉伸性能較優(yōu).

（3）通過對復(fù)合材料頂破性能分析，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及極差分析得出，在纖維長度為5 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為40 min時，板材較柔軟，對外力的緩沖作用強(qiáng)，耐頂破性能好.

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Preparation，tensile and bursting performance of flax/polypropylene composites

JIAO Ya-nan1，QI Xiao-fen1，WU Ning1，CUI Ping2
（1.Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Mechanical and Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Eco-environment flax/polypropylene thermoplastic composite are prepared by compression molding process,in which the flax fibers as reinforcement and the matrix phases are come from polypropylene(PP）fibers.The effects of fiber length,molded temperature and holding time on the tensile and bursting performance of the composites are investigated.The results show that the molding temperature was the main factor to influence composite properties. The optimal tensile property of the flax/polypropylene composite is obtained in the parameters of fiber length 5 mm,molding temperature 180℃and holding time 40 min.The bursting performance of the polypropylene/flax composites is come to the peak value when mentioned above parameters are 5 mm,170℃and 40 min.

flax；polypropylene；composites；molding process；tensile properties；bursting properties

TB332；TS102.65

B

1671-024X（2014）05-0008-06

2014-05-08

國家自然基金青年基金項目（11102133）

焦亞男（1971—），女，研究員，碩士生導(dǎo)師.E-mail：jiaoyn@tjpu.edu.cn