三種植物纖維/聚丙烯復合材料的性能對比優(yōu)化

付成龍，王新玲，崔 萍

(1. 成都航空職業(yè)技術學院，四川 成都 610100；2.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050)

近年來，隨著環(huán)保概念的普及以及國家對于生態(tài)環(huán)境建設的要求，人們把復合材料的研究思路從玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維等轉移到了以價廉質輕、機械性能高、可回收、可生物降解、可再生等優(yōu)良特性為代表的天然植物纖維增強復合材料。如今，天然纖維復合材料已經在各行各業(yè)大展身手，如為響應汽車輕量化制造的內飾材料，家居以及建筑行業(yè)。相關的專家學者對天然纖維復合材料的性能研究主要集中于織物結構方面，而對于其短纖維制備的復合材料板材研究較少[1-7]。鑒于此，本文分別以竹纖維、亞麻纖維、苧麻纖維作為增強材料，以熱塑性樹脂聚丙烯纖維作為基體材料，運用三因素三水平的正交設計方法，對不同植物纖維種類、模壓工藝以及保溫時間對植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能進行了研究分析，以期為相關領域研究者提供相關資料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設備

亞麻纖維、苧麻纖維和竹纖維，由蘭州三毛股份有限公司提供；聚丙烯纖維，由甘肅紡織研究所提供。

QLB-25T 350×350×2平板硫化機，梳理機(雙錫林雙道夫)，YG026D-500型電子織物強力機，TP電子天平，架盤稱重天平。

1.2 實驗方案

分別將竹纖維、苧麻纖維、亞麻纖維與聚丙烯纖維進行開松混合均勻后，在梳理機上將其制成一定厚度的纖維網，按照250mm×200mm的規(guī)格鋪滿8層，每塊纖維網的質量約為55g。并在模壓機上按照要求制備復合材料平板。

利用正交設計方法，設計不同增強纖維種類(A)、不同模壓溫度(B)、不同保溫時間(C)的實驗方案，即三因素三水平表，見表1。

表1 3因素3水平因子水平表

1.3 性能測試及標準

1.3.1 拉伸性能

實驗制備的復合材料試樣的拉伸性能按照GB/T1446-2005和GB/T 1447-2005的方法在YG026D-500型的試驗機上進行，拉伸速率為5mm/min，實驗數據取5個試樣的平均值。

1.3.2 頂破試樣的制備

根據相關的實驗研究可知[8-10]，試樣進行頂破性能測試時有兩種測試防范：圓頭頂破和尖頭頂破。本實驗采用圓頭頂破方式，即將復合材料板材加工成直徑為60mm的圓形試樣，在YG026D-500型的試驗機上以50mm/min的速率進行測試進行，直至試樣發(fā)生破壞，并記錄相關實驗數據。

2 結果與討論

表2 天然纖維復合材料試驗件的性能測試結果

2.1 各因素對復合材料板材斷裂強度的影響

表3 復合材料拉伸性能的極差、優(yōu)方案分析

從表2的正交實驗的測試結果分析可知，對于三種植物纖維復合材料的拉伸斷裂強度的影響因素結果的極差可知，RA=3.24，RB=3.71，RC=0.87，即RB>RA>RC，所以各因素對復合材料拉伸斷裂強度的影響從主到次的順序為：B(模壓溫度)，A(纖維品種)，C(保溫時間)。

圖1 各因素對斷裂強度影響趨勢圖

為了直觀反映出在本次實驗中各工藝因子與復合材料拉伸斷裂強度之間的關系，依據表2和表3做出散點圖如圖1所示。從圖中可以看出，當增強纖維為亞麻纖維，模壓溫度為190℃，保溫時間為20min時，復合材料的拉伸斷裂強度最好。此外，通過實驗數據的對比可知，模壓溫度對本次實驗的拉伸斷裂強度的影響最大。這是因為：溫度的主要作用是促進PP的熔融、加速木質素的玻璃化以及提高試樣板材中基體與增強體的黏結。在高溫及長時間的保溫作用下可能引起三種植物纖維中纖維素等降解的速率加快，會對增強材料的力學性能造成損失，進而影響復合材料板材的力學性能下降。

2.2 各因素對復合材料板材頂破強度的影響

表4 復合材料頂破性能的極差、優(yōu)方案分析

從表4的正交實驗的測試結果分析可知，對于三種植物纖維復合材料的頂破斷裂強度的影響因素結果的極差可知，RA=5.71，RB=9.10，RC=6.08，即RB>RC>RA，所以各因素對復合材料頂破強度的影響從主到次的順序為：B(模壓溫度)，C(保溫時間)，A(纖維品種)。

圖2 各工藝因子對頂破強度影響趨勢圖

為了直觀反映出在本次實驗中各工藝因子與復合材料頂破強度之間的關系，依據上頁表2和上頁表4做出散點圖如圖2所示。從圖中可以看出，當增強纖維為亞麻纖維，模壓溫度為170℃，保溫時間為40min時，復合材料的頂破強度最好。結合分析實驗數據可知，模壓溫度對于本次實驗頂破強度的影響最大。這是由于溫度為170℃時，已經超過了本次實驗聚丙烯的熔點133℃，已經能夠實現其融熔并完成浸漬。熱壓時間的增加，增強體中的纖維素、木質素等脆性會增加，不利于頂破強度。此外，在頂破強度測試中，纖維與樹脂基體共同承擔載荷，由于本次實驗的采用的短纖均勻混合制網，使得三種植物纖維與PP實現了均勻的混合，所以纖維種類對試樣的頂破性能的影響最弱。

3 結論

綜合各實驗因素以及經濟性分析，選擇合適的增強體，可以使聚丙烯基體與增強體相容性提高，有利于復合材料性能的發(fā)揮。

(1)由極差分析可知，無論是拉伸性能，還是頂破性能，模壓溫度對復合材料的性能的影響最大，纖維的種類和模壓保溫時間對實驗的影響因素較?。淮送?，纖維種類對于本次實驗的拉伸性能的影響要大于頂破性能。

(2)由正交實驗中的極差分析和優(yōu)化方案綜合分析可得最優(yōu)實驗方案為A2B2C2，即：模壓保溫時間為180℃，保溫時間為40min，增強體為亞麻纖維。