汽車內(nèi)飾用酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的拉伸性能*

程遙輝，丁武學，孫宇

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

汽車內(nèi)飾用酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的拉伸性能*

程遙輝，丁武學，孫宇

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

采用正交試驗方法，用5% NaOH溶液對黃麻氈進行預處理，利用模壓成型工藝制備酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料，通過對正交試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，研究樹脂含量、模具溫度、模具壓力和保壓時間4個工藝參數(shù)對復合材料拉伸性能的影響程度和顯著性水平，并通過多指標綜合評分法對材料的拉伸性能綜合評價，分析各個工藝參數(shù)對材料拉伸性能的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，樹脂含量和模具壓力對復合材料的拉伸性能影響非常顯著，當樹脂含量為20%、模具溫度為180℃、模具壓力為10 MPa、模壓時間為6 min時，復合材料的拉伸性能最好，此時拉伸強度為24.06 MPa ，拉伸彈性模量為113.17 MPa。

黃麻纖維；酚醛樹脂；復合材料；拉伸性能；正交試驗；極差分析；方差分析

綠色化、低成本、輕量化和低能耗已成為未來汽車發(fā)展的主流趨勢。傳統(tǒng)汽車內(nèi)飾用材料常用玻璃纖維增強，但加工玻璃纖維具有能耗高、污染環(huán)境等缺點[1–2]。黃麻纖維作為一種可再生能源，具有價格低、來源廣、無污染、可降解的特性，并具有較高的比強度和比模量[3]，采用當前復合成型工藝，將黃麻纖維與樹脂或塑料復合成能夠替代玻璃鋼材料的復合材料具有較高的工業(yè)利用價值，不但可以降低成本及生產(chǎn)能耗，還能減少對合成纖維和石油的依賴[4]。王國杰等[5–6]在不同工藝參數(shù)下對聚氨酯／黃麻纖維的拉伸性能和彎曲性能進行了研究，得到了最佳工藝條件。邱亞健等[7]以栲膠粉末為原料，使用烏洛托品作為固化劑制備綠色環(huán)保樹脂，采用熱壓工藝制備了綠色黃麻中密度纖維板，其最佳熱壓成型溫度為130℃。Y. Dobah等[8]用手糊成型工藝制備了纖維含量25%的聚酯／黃麻復合材料，通過靜態(tài)拉伸、扭轉(zhuǎn)和多軸向?qū)嶒灉y試其極限強度，并分析其疲勞性能，結(jié)果表明，其極限拉伸強度為42 MPa。以上相關研究的纖維含量較低，沒有較全面地研究工藝參數(shù)對材料的性能影響。筆者采用黃麻氈料模壓成型工藝制備酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料，極大提高了復合材料中的纖維含量，從而減少樹脂的使用，并通過正交試驗方法，分析樹脂含量、模溫、模壓和保壓時間對復合材料拉伸性能影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

黃麻氈：克重1100 g／m2，氈厚10 mm，江西思創(chuàng)麻業(yè)有限公司；

水溶性酚醛樹脂膠液：固體含量為40%，黏度為20～30 mPa·s，太爾化工(南京)有限公司；

脫模劑：JD–909A，東莞市佳丹潤滑油有限公司；

5% NaOH溶液：自制。

1.2 主要儀器與設備

平板硫化機：XLB–D300*300型，青島鑫城一鳴橡膠機械有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101–2型，南京環(huán)科試驗設備有限公司；

微型控制電子萬能試驗機：CMT–1104型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

電子秤：JA1102型，上海海康電子儀器有限公司。

1.3 實驗設計

選擇樹脂含量、模具溫度、模具壓力和保壓時間作為酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料模壓成型實驗的主要工藝參數(shù)，采用正交試驗表L9(34)，設計的因素水平表列于表1。

表1 正交實驗因素水平表

1.4 試樣制備

將黃麻氈放入濃度為5%的NaOH溶液中，浸泡時間為1 h，浸泡完成后對黃麻氈進行酸洗、水洗，直到纖維的pH值達到6～7，最后將黃麻氈晾曬、烘干至恒重；將處理好的黃麻氈按要求尺寸裁剪好(尺寸為250 mm×200 mm×10 mm，共27塊)，放入到預先配置好的3種不同樹脂含量的水溶性酚醛樹脂膠液中浸膠，浸膠完成后將多余的膠液擠出，使黃麻氈中的樹脂含量控制在10% (9塊)、15% (9塊)、20% (9塊)，最后將黃麻氈放置烘干箱中，在60～70℃條件下烘干，得到預浸料；設定相應的模壓工藝參數(shù)，涂好脫模劑，將制備好的預浸料(3層)放入模具中，合模固化一定時間后開模取出制件，然后自然冷卻至室溫，最終制備出設計的酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料模壓成型制品，其尺寸為250 mm×200 mm×4 mm。

1.5 性能測試

酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的拉伸性能按GB／T 1447–2005測定，試樣尺寸為180 mm× 20 mm×4 mm，夾持距離為115 mm，拉伸速度為10 mm／min。每組取3個試樣進行測試，取其結(jié)果的平均值進行分析。

2 結(jié)果與討論

以拉伸強度和拉伸彈性模量作為實驗結(jié)果的評價指標，對其實驗結(jié)果進行極差分析和三次重復取樣方差分析，繪制影響趨勢圖，并分析各工藝參數(shù)對材料拉伸性能的影響規(guī)律。

2.1 正交試驗結(jié)果分析

(1)極差分析。

酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的拉伸性能測試結(jié)果和極差分析結(jié)果分別列于表2和表3。

表2 酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料拉伸性能測試結(jié)果

表3 酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的極差分析結(jié)果

從表3可以看出，各工藝參數(shù)對材料的拉伸強度影響的主次順序為：A＞C＞B＞D，即樹脂含量對材料拉伸強度的影響最大，其次是模具壓力和模具溫度，保壓時間對材料的影響最小。各工藝參數(shù)對材料拉伸彈性模量影響的主次順序為：A＞D＞C＞B，即樹脂含量對材料拉伸彈性模量的影響最大，其次是保壓時間和模具壓力，模具溫度對材料的影響最小。

以因素的3種水平作為橫坐標，以實驗指標的平均值作為縱坐標，畫出因素對指標影響的趨勢圖，如圖1和圖2所示。

圖1 各因素對拉伸強度影響的趨勢圖

表4 酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料綜合評價結(jié)果

圖2 各因素對拉伸彈性模量影響的趨勢圖

由表3可知，拉伸強度的最優(yōu)組合為A3B3C3D1，即樹脂含量為20%，模具溫度為180℃，模具壓力為10 MPa，保壓時間為4 min時，材料的拉伸強度最好，與圖1的分析結(jié)果一致，此時拉伸強度為24.35 MPa，拉伸彈性模量為108.36 MPa。

由表3可知，拉伸彈性模量的最優(yōu)組合為A3B3C2D3，即樹脂含量為20%，模具溫度為180℃，模具壓力為8 MPa，保壓時間為6 min時，復合材料的拉伸彈性模量最好，這與圖2的分析結(jié)果一致，此時拉伸強度為20.54 MPa，拉伸彈性模量為114.58 MPa。

(2)拉伸性能綜合評價。

材料的拉伸性能需要綜合考慮拉伸強度和拉伸彈性模量，對實驗結(jié)果運用多目標綜合評分法對材料的拉伸性能進行綜合評價，考慮到汽車內(nèi)飾中對材料的拉伸強度性能要求較高，選取拉伸強度的加權系數(shù)為0.6，拉伸彈性模量的加權系數(shù)為0.4[9]，其拉伸性能綜合評價結(jié)果列于表4。

由表4可以看出，各工藝參數(shù)對材料拉伸性能影響的主次順序為：A＞C＞B＞D，即樹脂含量對材料拉伸性能的影響最大，其次是模具壓力和模具溫度，保壓時間對材料拉伸性能的影響最小，其結(jié)果與拉伸強度的分析結(jié)果一致。材料的拉伸性能最優(yōu)組合為A3B3C3D3，此時材料的拉伸強度為24.06 MPa ，拉伸彈性模量為113.17 MPa。

(3)方差分析。

酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的方差分析結(jié)果列于表5。

表5 酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的方差分析結(jié)果

從表5可知，對于材料的拉伸強度，F(xiàn)A，F(xiàn)C均大于F0.01(2，18)=6.01，F(xiàn)B，F(xiàn)D均小于F0.05(2，18)=3.55，說明樹脂含量和模具壓力水平的改變對實驗指標的影響非常顯著，模具溫度和保壓時間對實驗指標無顯著性影響；對于材料的拉伸彈性模量，F(xiàn)A＞F0.01(2，18)=6.01，F(xiàn)B，F(xiàn)C，F(xiàn)D均小于F0.05(2，18)=3.55，說明樹脂含量的改變對實驗指標的影響非常顯著，模具溫度、模具壓力和保壓時間對實驗指標無顯著性影響。綜上所述，樹脂含量對材料的拉伸性能影響非常顯著，可取最優(yōu)參數(shù)，模具壓力對拉伸強度影響非常顯著，但對拉伸彈性模量無顯著影響，也可取最優(yōu)參數(shù)。由于模具溫度和保壓時間對材料的拉伸性能無顯著影響，所以模具溫度和保壓時間工藝參數(shù)的選擇可以視情況而定。

2.2 工藝參數(shù)對材料拉伸性能的影響

(1)樹脂含量。

在不同樹脂含量下成型的復合材料的拉伸性能列于表6。

表6 不同樹脂含量下成型的復合材料的拉伸性能

由表6可以看出，隨著樹脂含量的增加，復合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量均呈增大的趨勢，當樹脂含量為10%時，復合材料的拉伸強度為10.32 MPa，拉伸彈性模量為82.41 MPa；當樹脂含量為20%時，復合材料的拉伸強度為21.80 MPa，拉伸彈性模量為110.08 MPa，相比樹脂含量為10%時的拉伸強度、拉伸彈性模量分別提高111.2%，33.6%。復合材料的拉伸性能與樹脂的含量密切相關，樹脂起到傳遞載荷和保護纖維的作用，當樹脂含量較低時，界面層之間的樹脂含量少，界面的粘結(jié)強度低，在拉伸載荷的作用下會出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，從而導致復合材料的拉伸性能降低。當樹脂含量較高時，界面的結(jié)合力增強，材料的拉伸性能提高，但當樹脂含量過高時，可能使材料的脆性增加，容易產(chǎn)生脆性斷裂[10]。

(2)模具溫度。

在不同模具溫度下成型的復合材料拉伸的性能列于表7。

表7 不同模具溫度下成型的復合材料的拉伸性能

由表7可以看出，隨著模具溫度的升高，復合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量都略有升高，但增長幅度不大。當模具溫度為180℃時，材料的拉伸強度和拉伸彈性模量分別為18.10 MPa和96.99 MPa，相比模具溫度為160℃時的拉伸強度(16.14 MPa)和拉伸彈性模量(94.63 MPa)分別提高12.1%，2.5%。這是因為模具溫度主要是通過影響酚醛樹脂的固化交聯(lián)反應來影響材料的拉伸性能，當溫度較低時，固化反應速率較慢，會造成酚醛樹脂固化不完全，造成材料的拉伸性能降低；當模具溫度過高時，材料容易焦化、內(nèi)應力提高，同樣會造成材料的拉伸性能降低[11]。

(3)模具壓力。

在不同模具壓力下成型的復合材料的拉伸性能列于表8。

表8 不同模具壓力下成型的復合材料的拉伸性能

由表8可以看出，隨著模具壓力的升高，復合材料的拉伸強度逐漸上升，而拉伸彈性模量呈先升高后降低趨勢。當模具壓力為10 MPa時，材料的拉伸強度為19.62 MPa，相比模具壓力6 MPa時的15.35 MPa提高27.8%；當模具壓力為8 MPa時，拉伸彈性模量為97.01 MPa，相比模具壓力為10 MPa時的94.59 MPa僅提高2.6%，變化不大。模具壓力決定復合材料的密度和結(jié)構(gòu)形態(tài)，模具壓力越大，材料的密度越高，結(jié)構(gòu)就越緊密，從而提高樹脂和黃麻纖維的接觸面積和粘接力，致使材料的拉伸強度提高[12]。

(4)保壓時間。

在不同保壓時間下程序的復合材料的拉伸性能列于表9。

表9 不同保壓時間下成型的復合材料的拉伸性能

由表9可以看出，隨著保壓時間的延長，復合材料的拉伸強度呈逐漸下降，而拉伸彈性模量呈升高趨勢。保壓時間為4 min時，材料的拉伸強度最高，為17.73 MPa，而保壓時間為6 min時，拉伸強度最低，為16.53 MPa，變化不大；拉伸彈性模量在保壓時間為6 min時最高，為98.20 MPa，在保壓時間為4 min時最低，為93.48 MPa。在模具溫度一定時，由于保壓時間決定樹脂的固化完全程度，時間過短會造成固化不完全，時間過長會使材料內(nèi)應力提高，樹脂固化過度變脆，降低內(nèi)結(jié)合強度，從而導致拉伸強度下降[13]。材料的拉伸彈性模量提高是由于材料固化時間長，脆性變大，剛度增加，應變變小，從而導致拉伸彈性模量變大[14]。

3 結(jié)論

通過正交試驗對酚醛樹脂／黃麻纖維復合材料的拉伸性能進行了極差分析、綜合性能評價和方差分析，得出如下結(jié)論：

(1)當樹脂含量為20%、模具溫度為180℃、模具壓力為10 MPa、保壓時間為4 min時，復合材料的拉伸強度最好，此時拉伸強度為24.35 MPa，拉伸彈性模量為108.36 MPa；當樹脂含量為20%、模具溫度為180℃、模具壓力為8 MPa、保壓時間為6 min時，材料的拉伸彈性模量最好，此時拉伸強度為20.54 MPa，拉伸彈性模量為114.58 MPa。

(2)影響材料拉伸強度的主次因素為A＞C＞B＞D，即樹脂含量的影響最大，其次是模具壓力和模具溫度，保壓時間的影響最??；影響拉伸彈性模量的主次因素為A＞D＞C＞B，即樹脂含量的影響最大，其次是保壓時間和模具壓力，模具溫度的影響最小。樹脂含量和模具壓力是影響材料拉伸強度非常顯著的因素，模具溫度和保壓時間的影響不顯著；樹脂含量是影響材料拉伸彈性模量非常顯著的因素，模具溫度、模具壓力和保壓時間的影響不顯著。汽車內(nèi)飾件對材料拉伸強度的要求較高，可以認為樹脂含量和模具壓力對于材料的拉伸性能影響非常顯著。

(3)材料拉伸性能的最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C3D3，此時材料的拉伸強度為24.06 MPa ，拉伸彈性模量為113.17 MPa。影響材料拉伸性能的主次因素為A＞C＞B＞D，與拉伸強度的分析結(jié)果一致。

[1]Ahmad F，Choi H S，Park M K. A Review:Natural fiber composites selection in view of mechanical，light weight，and economic properties[J]. Macromolecular Materials and Engineering，2015，300(1):10–24.

[2]Sanjay M R，Arpitha G R，Naik L L，et al. Applications of natural fibers and its composites:An overview[J]. Natural Resources，2016，7(3):108–114.

[3]Dittenber D B，GAngarao H V S. Critical review of recent publications on use of natural composites in infrastructure[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2012.43(8):1 419–1 429.

[4]梅皓然，談政，盛杰.汽車內(nèi)飾件用麻纖維板與玻纖板性能的比較[J].汽車工藝與材料，2015(7):56–59. Mei Haoran，Tan Zheng，Sheng Jie. The performance comparison of bast fiber sheet and glass fiber sheet used in automotive interior[J]. Automobile Technology & Material，2015(7):56–59.

[5]王國杰，孫宇，曹春平，等.黃麻纖維增強聚氨酯復合材料的拉伸性能研究[J].塑料工業(yè)，2012(8):81–84. Wang Guojie，Sun Yu ，Cao Chunping，et al. Research on tensile performance of jute fiber reinforced composites[J]. China Plastics Industry，2012(8):81–84.

[6]張蔚，陳豐，孫宇，等.基于彎曲性能的黃麻纖維增強聚氨酯復合材料工藝參數(shù)研究[J].材料科學與工藝，2012(4):121–127. Zhang Wei，Chen Feng，Sun Yu，et al. Technological parameters of jute fiber reinforced polyurethane composites based on bending property[J]. Materials Science and Technology，2012(4):121–127.

[7]邱亞健，張初陽.基于非織造工藝的新型綠色黃麻中密度纖維板試制[J].山東紡織科技，2015(2):47–51. Qiu Yajian，Zhang Chuyang. A new green jute middle density fiberboard based on nonwoven process[J]. Shandong Textile Science & Technology，2015(2):47–51.

[8]Dobah Y，Bourchak M，Bezaziet A，et al. Multi-axial mechanical characterization of jute fiber／polyester composite materials[J]. Composites Part B:Engineering，2016.90:450–456.

[9]張蔚.植物纖維增強聚氨酯反應注射成型制品制備及力學性能研究[D].南京:南京理工大學，2012. Zhang Wei. The Preparation and the Research on Mechanical Property of Natural Fiber Reinforced Polyurethane Reaction Injection Molding Composite[D]. Nanjing:Nanjing University of Science & Technology，2012.

[10]方心靈，吳中偉，高虹，等.樹脂含量對芳綸防彈復合材料性能的影響[J].宇航材料工藝，2012(5):42–44. Fang Xinling，Wu Zhongwei，Gao Hong，et al. Influence of different resin content on twaron ballistic material properties[J]. Aerospace Materials & Technology，2012(5):42–44.

[11]馬豪，李巖，王迪，等.固化溫度對亞麻纖維及其增強復合材料力學性能的影響[J].材料工程，2015(10):14–19. Ma Hao，Li Yan，Wang Di，et al. Effect of curing temperature on mechanical properties of flax fiber and their reinforced composites[J]. Journal of Materials Engineering，2015(10):14–19.

[12]唐榮華，楊旭靜，鄭娟. 長玻璃纖維增強聚丙烯復合材料熱模壓成型工藝的研究[J].玻璃鋼／復合材料，2016(8):62–67. Tang Ronghua，Yang Xujing，Zheng Juan. Research of hot molding press on long glass fiber reinforced polypropylene composite[J]. Fiber Reinforced Plastics／Composites，2016(8):62–67.

[13]畢克新，王齊，周志芳，等. 柳枝模壓板材工藝的研究[J].林業(yè)科技，2013(5):18–21. Bi Kexin，Wang Qi，Zhou Zhifang，et al. Study on technology of the willow branches press-moulding board[J]. Forestry Science ＆Technology，2013(5): 18–21.

[14]Ku H，Wang H，Pattarachaiyakoop N，et al. A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites[J]. Composites Part B:Engineering，2011，42(4):856–873.

Tensile Properties of Phenolic Resin／Jute Fiber Composites Used in Automotive Interior

Cheng Yaohui， Ding Wuxue， Sun Yu
(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing 210094， China)

Jute fiber was pretreated by 5% sodium hydroxide solution. Phenolic resin／jute fiber composites were prepared by orthogonal experiment design and compression molding. Firstly the influence and significance level of impregnation resin content，mold temperature，molding pressure and molding time to the tensile properties were studied through the results of range analysis and variance analysis. Tensile properties were analyzed by multi-index compositive score method. Then influences of the process parameters to tensile properties were also analyzed. The results show that the influences of impregnation resin content and molding pressure to the tensile properties are very remarkable，the products will get the best tensile performance while impregnation resin content is 20%，mold temperature is 180℃，molding pressure is 10 MPa and molding time is 6 min. The tensile strength is 24.06 MPa and tensile elastic modulus is 113.17 MPa.

jute fiber；phenolic resin；composite；tensile property；orthogonal experiment；range analysis；variance analysis

TB332

A

1001-3539(2016)12-0063-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.012

*江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014004-02)

聯(lián)系人：程遙輝，碩士，主要研究方向為復合材料成型工藝及裝備

2016-10-15