亞麻/PP復(fù)合材料的制備及其彎曲性能研究

王德高，張 璐，2，劉麗妍，2

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,天津 300387)

(2.天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所天津市和教育部共建先進紡織復(fù)合材料重點實驗室，天津 300387)

亞麻/PP復(fù)合材料的制備及其彎曲性能研究

王德高1，張 璐1，2，劉麗妍1，2

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,天津 300387)

(2.天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所天津市和教育部共建先進紡織復(fù)合材料重點實驗室，天津 300387)

將亞麻纖維作為增強體，與聚丙烯(PP)纖維進行混合，同時與PP長絲形成PP包覆亞麻的紗線結(jié)構(gòu)，利用機織工藝織造成機織布作為復(fù)合板材的預(yù)制件，采用層合熱壓方法制備亞麻/PP復(fù)合材料。通過對板材彎曲性能進行測試，研究了制備工藝、紗線結(jié)構(gòu)以及亞麻纖維含量(質(zhì)量分數(shù))等因素對復(fù)合材料彎曲性能的影響。研究結(jié)果表明，“三明治”鋪層方法制備的板材較“混纖法”制備的板材體現(xiàn)出更優(yōu)異的彎曲性能；與加捻紗相比，包覆紗結(jié)構(gòu)板材表現(xiàn)出更優(yōu)良的彎曲性能；以亞麻/PP包覆紗為增強體的復(fù)合材料，當亞麻纖維質(zhì)量分數(shù)為46%時，其彎曲性能最優(yōu)良。

亞麻纖維；聚丙烯；機織；熱壓；彎曲性能

1 引 言

隨著人們環(huán)保意識的日益增強，眾多的環(huán)境材料科學(xué)工作者都在積極研究具有凈化環(huán)境、防止污染、可替代有害物質(zhì)、能減少廢棄物的再生資源，他們作了大量研究工作，并取得了重大進展[1]”。天然植物纖維由于可生物降解、容易種植、機械性能優(yōu)良，近年來已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)的提高，天然纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域已從航空航天和國防軍工擴展到建筑與土木工程、陸上交通運輸、船舶和近海工程、化工防腐、電氣與電子、體育與娛樂用品、醫(yī)療器械與仿生制品以及家庭辦公用品等各個部門[2]。

本研究選取力學(xué)性能優(yōu)良的亞麻纖維作為增強體，密度較小的聚丙烯為基體，利用亞麻纖維的可紡性，與聚丙烯纖維進行混合[3]，同時利用PP長絲形成包覆亞麻的紗線結(jié)構(gòu)，采用機織法制備機織布作為預(yù)制件，經(jīng)過層合熱壓制備亞麻/PP復(fù)合材料板材。本試驗用到了加捻紗與包覆紗兩種紗線結(jié)構(gòu)。

首先，為比較制備方法對復(fù)合材料性能的影響，試驗采用了兩種鋪層方法，即“三明治”法和“混纖法”。其次，為比較紗線結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料彎曲性能的影響，試驗利用“混纖法”，制備了不同纖維質(zhì)量的加捻紗和包覆紗結(jié)構(gòu)的試樣。最后，試驗利用“混纖法”和包覆紗制備了不同纖維質(zhì)量的板材試樣，用以比較纖維質(zhì)量對復(fù)合材料彎曲性能的影響。

2 實 驗

2.1 主要材料

亞麻纖維, 未脫膠漂白，平均直徑23.19 μm，黑龍江佳木斯佳鵬亞麻有限責任公司；

PP纖維, 0.67tex, 平均長度110 mm，山東陵縣華龍化纖有限公司；

PP長絲，33.2tex，北京滌綸實驗廠；

聚丙烯樹脂，河北利恒塑膠公司；

增強材料，亞麻平紋織物(使用購買的亞麻纖維自己織造而成)。

2.2 儀器與設(shè)備

花式捻線機，ON100030型，日本Ozeki Noboru公司；

織機，F(xiàn)AST-190，意大利SMIT公司；萬能強力儀，5567，美國英斯特朗；

熱壓機，YTD71-45A，天津鍛壓機床廠；

電子顯微鏡，KYKY-2800型，北京科學(xué)儀器廠。

2.3 復(fù)合材料的制備

2.3.1 包覆紗的制備

將PP纖維梳理成條，再按比例將PP條子與亞麻條子混合并條，加工所得的條子中亞麻纖維的質(zhì)量分數(shù)為：18%、33%、46%、50%、60%及68%，100%亞麻含量的條子也制好備用。用兩種紡紗方法將上述條子分別紡成兩組紗線：(1)利用環(huán)錠紡制備加捻紗；(2)引入PP長絲在花式捻線機上制備包覆紗，包覆紗沒有被加捻，PP長絲包覆在紗線的表面，紡出PP包覆亞麻紗。

2.3.2 機織布的織造

分別用加捻紗與包覆紗作為緯紗，PP長絲作為經(jīng)紗，織造平紋布，織物中的亞麻纖維具有高度同向性。在平紋布的制備中加捻紗與包覆紗均表現(xiàn)出較好的可織性。

2.3.3 板材的制備

采用0/0的鋪層方法用于熱壓。其中，由100%亞麻含量的條子制備的平紋布(加捻紗結(jié)構(gòu)與包覆紗結(jié)構(gòu))采用與水刺PP纖維氈交替鋪層的方法進行熱壓形成復(fù)合材料板材。熱壓時先將熱壓機的上下板面預(yù)熱到60 ℃，將織物放人熱壓機，閉合上下熱壓板并施加壓力至15 MPa，平穩(wěn)升溫至190 ℃，并保持20 min，關(guān)閉電源使其在室溫下保壓并降至室溫，脫模并進行板材修整，按標準裁制試樣塊。

2.4 彎曲性能測試

依據(jù)ASTM D790-03對試樣進行三點彎曲測試。試樣的尺寸為12.7 mm×3 mm×70 mm，測試速度為1.28 mm/min，測試跨距為48 mm。

3 結(jié)果分析

由于熱塑性樹脂熔體粘度大，浸漬纖維比較困難，本試驗采用混纖紗制備技術(shù)先將增強纖維和基體纖維在單絲級混雜，然后再熱壓成型，在熱壓過程中，PP熔融成為樹脂基體，在很大程度上克服了浸漬困難的問題。另外，花式捻線機制備的紗線中引入PP長絲，亞麻紗線表面毛羽較多，摩擦系數(shù)大，PP長絲由多根復(fù)絲組成，比較蓬松，因此亞麻紗極易被PP長絲包覆。

3.1 織物鋪層方式對彎曲性能的影響

采取兩種方式制備板材：(1)采用PP包覆亞麻紗(由PP長絲與100%亞麻條子所紡的包覆紗)織成的織物與PP維氈交替鋪層(0/0)的方法進行熱壓形成板材，即“三明治”法；(2)將利用亞麻與PP纖維混紡紗制備而成的機織布層疊鋪放(0/0)，即“混纖法”。從生產(chǎn)成本角度比較，這兩種鋪層方法各有優(yōu)點。由于“三明治”鋪層方法省去了大量的紡紗與織造的工作，生產(chǎn)成本相對降低。然而，對于“混纖法”，由于在操作過程中只需要將同一種織物進行鋪層，因此操作方便、快捷。

表1給出了不同鋪層方法的復(fù)合材料板彎曲性能測試結(jié)果。

表1 不同鋪層方法復(fù)合材料板彎曲性能測試結(jié)果Tab.1 Influence of fiber mixing methods on laminate properties

對于加捻紗結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，采用“三明治”法制備的板材的最大彎曲模量及最大彎曲強力比“混纖法”制備的板材高出約10%。對于包覆紗結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，采用兩種方法制備的板材彎曲性能差別較小。兩種不同鋪層方法制備的板材截面形態(tài)的電子顯微鏡照片如圖1所示。兩張照片均選用包覆紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板材進行比較。

從圖1中可以清楚看出，采用“混纖法”制備的板材中亞麻纖維均勻地、獨立地分布在樹脂基體中，而“三明治”法制備的板材中亞麻纖維仍以紗線為單位分布。

圖1 不同鋪層方法板材截面形態(tài)電子顯微鏡照片(左：混纖法；右：三明治法)Fig.1 Digital images of polished cross section(lift: mixing; right: sandwich)

3.2 紗線結(jié)構(gòu)影響彎曲性能

有研究表明，亞麻增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，包覆紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料較加捻紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體現(xiàn)出更優(yōu)良的機械性能[4]。本試驗比較了在熱塑性復(fù)合材料中是否存在相同的結(jié)果。由于試驗室加工條件所限，我們只測試“混纖法”鋪層制備的板材比較加捻紗和包覆紗兩種不同紗線結(jié)構(gòu)對板材彎曲性能的影響。圖2所示為兩種不同紗線結(jié)構(gòu)制成的板材體現(xiàn)出了迥異的風格。

圖2 不同紗線結(jié)構(gòu)制備的板材。加捻紗板材(a),包覆紗板材(b)Fig.2 Composite laminates made by different yarn structures Composite made by twisted yarn structure(a)and wrap yarn structure(b)

圖3和圖4為板材彎曲性能曲線。圖3中可以看出，與加捻紗結(jié)構(gòu)相比，隨著纖維含量(質(zhì)量百分比)的增加，包覆紗結(jié)構(gòu)板材的彎曲模量呈現(xiàn)出顯著的、持續(xù)的增長，與相同條件下的加捻紗結(jié)構(gòu)比較，當亞麻纖維含量達到18%，增長22%；纖維質(zhì)量分數(shù)達到46%時，增長了大約31%。產(chǎn)生這種差別的主要原因是紗線結(jié)構(gòu)不同。

圖3 彎曲模量變化曲線Fig.3 Flexural modulus of flax/pp blended yarns reinforced composites

圖4 彎曲強力變化曲線Fig.4 Flexural strength of flax/pp blended yarns reinforced composites

在加捻紗中，纖維以紗線軸心為中心呈螺旋軌跡分布，這樣的結(jié)構(gòu)雖然有利于織造，但復(fù)合材料中的纖維卻不能全部用來承載來自紗線軸心方向的外力。而在包覆紗中，全部纖維均沿著紗線軸線方向平行地、順直地分布，在復(fù)合板材中，這種結(jié)構(gòu)使每根纖維都能承載來自紗線軸向的外力。

從圖4可以看出，兩種紗線結(jié)構(gòu)的板材其彎曲強力相差較小。當纖維含量為46%時，包覆紗結(jié)構(gòu)板材比加捻紗結(jié)構(gòu)板材高出大約6%。當纖維含量為18%時，兩者之間的差異幾乎消失。

3.3 纖維含量(質(zhì)量百分比)影響彎曲性能

本試驗比較了包覆紗結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在不同纖維含量前提下的彎曲性能，測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，3號板材的亞麻纖維含量為46%，此時無論是彎曲模量還是彎曲強力都最大。6號板材的亞麻纖維含量最多，達到68%，應(yīng)該表現(xiàn)出較好的彎曲性能，然而結(jié)果卻與預(yù)料相反，這是因為當增強纖維過多時，樹脂浸潤不夠充分[5]，板材中會出現(xiàn)貧樹脂區(qū)及干點等瑕疵，當復(fù)合板材受到外力時，基體不能有效的傳遞外力，進而影響材料的彎曲性能。1號板材的纖維含量最少，由于過少的亞麻纖維對樹脂基體的增強不夠充分，這使得復(fù)合材料的彎曲機械性能大大降低。

表2 不同纖維含量板材彎曲性能Tab.2 Flexural results of different fiber ratios wrap yarnReinforced composites

4 結(jié) 語

(1)采用相同紗線結(jié)構(gòu)作為增強體時，用“三明治”鋪層方法制備的板材較“混纖法”制備的板材體現(xiàn)出更優(yōu)異的彎曲性能。

(2)與加捻紗結(jié)構(gòu)相比，包覆紗結(jié)構(gòu)熱塑性復(fù)合材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的彎曲性能，由兩種不同紗線結(jié)構(gòu)制備的板材也體現(xiàn)出截然不同的外觀特征。

(3)以亞麻/PP包覆紗為增強體的板材，亞麻含量為46%的板材在本次試驗中體現(xiàn)了最好的彎曲特性。

[1] 王前文,趙磊.亞麻纖維增強聚丙烯基復(fù)合材料的隔聲性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(6):66-69. Wang Qianwen, Zhao Lei, et al. Acoustic Properties of Polypropylene composites reinforced by flax fiber [J]. Fiber reinforced plastics/composites,2014(6):66-69.

[2] 徐貴海,任子龍.苧麻、黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的研究 [J].纖維復(fù)合材料,2015(3):13-17． Xu Guihai, Ren Zilong, et al. Research on Mechanical Properties of Ramie Fabrics and Jute.Fabrics Reinforced Epoxy Resin [J]. Fiber Composites,2015(3):13-17．

[3] 王善元,張汝光.纖維增強復(fù)合材料[M].上海:中國紡織大學(xué)出版社，1998:147.

[4] Awa S.Doumbia, Micka?l. Castro. Flax/polypropylene composites for lightened structures: Multi scale analysis of process and fiber parameters [J]. Material & Design, 2015(87):331-341．

[5] J Moothoo, S Allaoui. A study of the tensile behavior of flax tows and their potential for composite processing [J]. Material & Design, 2014(55):764-772.

Flexural Properties of Flax Fiber Reinforced PP Composite

WANG Degao1, ZHANG Lu1,2,LIU Liyan1,2

(1.School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin300387)(2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites (Tianjin Polytechnic University) Ministry of Education, Tianjin 300387, China)

Flax fiber was used as reinforcing material to commingle with polypropylene (PP) fiber to realize the mixture of two materials at the stage of yarn. Meanwhile, PP filaments were introduced to produce a core-spun yarn with flax/PP as core and PP filament as outer sheath. The commingled yarns were woven into 2-D fabric which was used as the prefabricated materia1. The composite laminates were prepared by hot press technology. The effects of manufacture technology, yarn structure and fiber weight fraction on flexural properties of composites were investigated through analyzing the flexural testing results. The results show that the properties of composites made by sandwich stacking method are better than the properties of composites made by fiber blending method, and wrap yams demonstrate a significant improvement over twisted yarns when they are used in the manufacture of composites. When flax/PP wrap yarns are involved in the process of composite lamination. 46% of flax fiber fraction is considered the best ratio as far as flexural properties are concerned．

flax fiber; polypropylene (PP); weaving; hot press; flexural properties

2016-05-19)

王德高(1994-)，男，廣東人，學(xué)士。研究方向：復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能測試。E-mail：602749556@qq.com.

張璐，女，天津人，博士。研究方向：復(fù)合材料制備與力學(xué)性能的測試。E-mail：luzhanganny@aliyun.com.