正交實驗法優(yōu)化WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料工藝參數(shù)的研究

周尚艷，劉 彤，馮旭東，馮麗君，陳 波

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

葛根中藥廢渣(PRCMR)來源于工業(yè)上提取葛根黃酮制備生物醫(yī)藥或提取葛粉用于中藥與食品原料所剩下的工業(yè)廢渣[1-3]，由于其資源利用率低下，大量PRCMR被生產(chǎn)企業(yè)丟棄或焚燒，造成環(huán)境污染[4-5]。與此同時，我國每年由于聚丙烯(PP)與聚乙烯(PE)損壞與老化，大量的廢舊PP(WPP)與廢舊PE(WPE)應(yīng)運而生[6-7]，由于其難以降解，對環(huán)境造成巨大危害，因此WPP與WPE的資源化利用也勢在必行[8]。

本文利用擠塑輥壓成型工藝制備WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料，采用四因素四水平的正交實驗方案，使用L16(45)表設(shè)計實驗，通過正交實驗數(shù)據(jù)分析工藝參數(shù)對復(fù)合材料沖擊強度、靜曲強度、彈性模量等力學(xué)性能的影響，從而得到較優(yōu)的工藝參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

葛根中藥廢渣(PRCMR)，貴州益佰制藥股份有限公司；廢舊聚乙烯(WPE)，粒徑為2～3mm，已經(jīng)過破碎、洗滌、烘干，貴州天利和廢舊資源回收有限公司；廢舊聚丙烯(WPP)，粒徑為2～3mm，已經(jīng)過破碎、洗滌、烘干，貴州天利和廢舊資源回收有限公司；γ-氨基丙基三甲氧基硅烷(A0800)，分析純，南京優(yōu)普化工有限公司；乙醇 ，分析純，蘭州譜思達(dá)化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，蘭州譜思達(dá)化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備

纖維短切機，KB7-611，山東濰坊航宇機械有限公司；雙螺桿擠出機，SHJ-63，南京杰恩特機電有限公司；沖擊試驗機，XT-180，揚州華輝檢測儀器有限公司；臺式切割機，JK3 -650L型，杭州隆湖機電科技有限公司； 高速混合機，HBJ-37，成都常源機械設(shè)備有限公司；萬能試驗機，WAW-300K，濟南中特試驗機有限公司三輥壓光機，YR-1500，上海盈潤塑膠機械有限公司；冷等靜壓機，DJY500，太原市中平科技有限公司；恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9070A ，杭州卓馳儀器制造有限公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 PRCMR的改性處理

將PRCMR剪短為1～2mm的長度，隨即放入濃度為4%的NaOH溶液中浸泡4h后過濾洗凈至中性，烘干備用；其后將烘干后的PRCMR放入A0800溶液(A0800按PRCMR質(zhì)量的2%配比加入，且A0800溶液中的溶劑為乙醇，A0800與乙醇質(zhì)量比為5∶95)中浸漬1h后，旋即放入溫度設(shè)定為87℃干燥箱中烘干2h，得到PRCMR改性填料。

1.3.2 WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料的制備

將WPP、WPE與改性PRCMR填料按實驗最佳配比即WPP：WPE：改性PRCMR=30∶70∶40(質(zhì)量比)在高速混合機中混合20min，將所得的共混物放入雙螺桿擠出機進(jìn)行擠塑進(jìn)行二段擠塑，再通過三輥壓光機進(jìn)行輥壓成型(壓力為2.2MPa)，通過傳送帶傳送至冷等靜壓機靜壓冷卻5h(壓力為1.2MPa)，最后再將材料按要求尺寸用切割機進(jìn)行切割后得到WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料試樣。

1.4 性能測試

按照GB/T1043-2008標(biāo)準(zhǔn)測試復(fù)合材料沖擊強度。

按照GB/T 17657-1999標(biāo)準(zhǔn)測試復(fù)合材料的靜曲強度與彈性模量。

1.5 正交試驗設(shè)計

本實驗采用四因素四水平的正交實驗方案，對影響WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料力學(xué)性能的實驗因素(第一段螺桿轉(zhuǎn)速、第一段機筒溫度、第二段螺桿轉(zhuǎn)速、第二段機筒溫度)進(jìn)行優(yōu)選，以沖擊強度、靜曲強度、彈性模量為目標(biāo)函數(shù)，選用L16(45)表設(shè)計實驗，設(shè)計方案如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料沖擊強度的影響

各因素對復(fù)合材料沖擊強度的正交試驗結(jié)果與影響趨勢曲線分別如表2與圖1所示。

表2 工藝參數(shù)對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料沖擊強度正交試驗結(jié)果分析

圖1 各因素水平對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料沖擊強度的影響

Fig.1 Effect of various factors on impact strength of WPP/ WPE/PRCMR composites

從表2可以看出，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料沖擊強度的水平均值K值中K31=54.59，比K21和K11都大，說明因子A取A3水平最好。同理K32=53.79，K13=51.97，K24=52.56，說明B3、C1、D2的水平最好，因此各工藝參數(shù)對復(fù)合材料沖擊強度的較優(yōu)水平是A3 B3C1D2，即最佳實驗工藝參數(shù)為第一段螺桿轉(zhuǎn)速為 80r/min，機筒溫度為200℃，第二段螺桿轉(zhuǎn)速為40r/min，機筒溫度為180℃。同時從表3正交分析結(jié)果的極差分析可以看出RA﹥RB﹥RD﹥RC，說明各工藝參數(shù)對復(fù)合材料沖擊強度的影響由大到小的順序為A﹥B﹥D﹥C，可見第一段螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合模板沖擊強度的影響最大，第二段螺桿轉(zhuǎn)速對其影響較小。

從圖1可以看出，隨著第一段螺桿轉(zhuǎn)速的增大，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料沖擊強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)?shù)谝欢温輻U轉(zhuǎn)速為80r/min時，沖擊強度最大。這是因為在前段，螺桿轉(zhuǎn)速增大，有利于加快PRCMR在WPP與WPE的中分散性，并提高三者的結(jié)合性，對材料沖擊強度有一定增強，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過快，導(dǎo)致PRCMR發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使其與WPP、WPE兩種塑料基體的相容性變差，從而導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強度下降。隨著第二段螺桿轉(zhuǎn)速的增大，復(fù)合材料沖擊強度逐漸下降，這是因為螺桿轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致WPP、WPE兩種塑料的交聯(lián)程度降低，塑料的抗沖擊性能也同步下降。隨著第二段機筒的溫度增大，復(fù)合材料沖擊強度出現(xiàn)先增大后減小趨勢，這是因為在前期，機筒溫度的升高，使WPP、WPE更加熔融和均化，使PRCMR更好的被基體樹脂包裹，因此材料沖擊強度得到一定提高，而到了后期，由于機筒溫度的過高，使WPP、WPE部分結(jié)構(gòu)碳化，也使PRCMR內(nèi)壁纖維的韌性下降，導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強度下降。第一段機筒溫度的增加，對復(fù)合材料沖擊強度的影響呈現(xiàn)波動性變化。同時由于在正交分析法中，極差(R)越大的因素，對檢測指標(biāo)的影響越大，如圖1所示，RA﹥RB﹥RD﹥RC ，所以對沖擊強度影響因素的大小次序為A﹥B﹥D﹥C，與表3的分析結(jié)果相符。

2.2 各因素對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料靜曲強度的影響

各因素對復(fù)合材料靜曲強度的正交試驗結(jié)果與影響趨勢曲線分別如表3與圖2所示。

表3 工藝參數(shù)對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料靜曲強度正交試驗結(jié)果分析

表3(續(xù))

圖2 各因素水平對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料靜曲強度的影響

Fig.2 Effect of various factors on static bending strength of WPP/ WPE/PRCMR composites

從表3可以看出，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料靜曲強度的水平均值K值中K31=55.31， K32=54.19，K13=54.16，K24=55.03較大，說明A3、B3、C1、D2的水平最好，因此根據(jù)水平均值K值大小可以確定該實驗的最優(yōu)方案為表4中11號實驗(A3B3C1D2)，該實驗復(fù)合材料靜曲強度最高，為59.84 MPa，此時最佳工藝參數(shù)為第一段螺桿轉(zhuǎn)速為 80r/min，機筒溫度為220℃，第二段螺桿轉(zhuǎn)速為40r/min，機筒溫度為180℃。同時從表4正交分析結(jié)果的極差分析可以看出RA﹥RB﹥RD﹥RC，說明各工藝參數(shù)對復(fù)合材料靜曲強度的影響由大到小的順序為A﹥B﹥D﹥C，可見第一段螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合模板沖擊強度的影響最大，其次分別為第一段機筒溫度與第二段機筒溫度，第二段螺桿轉(zhuǎn)速對其影響較小。

從圖2可以看出，隨著第一段螺桿轉(zhuǎn)速、第一段機筒溫度的增大，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料靜曲強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為前期螺桿轉(zhuǎn)速與機筒溫度的增加有助于WPP/ WPE/PRCMR三元體系固態(tài)密集"海島"結(jié)構(gòu)的生成，且三者共混相容性提高，物料有一定的致密度，復(fù)合材料靜曲強度提高；但當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速與機筒溫度進(jìn)一步升高，物料間剪切作用減少，固態(tài)稀疏“海島”結(jié)構(gòu)形成，材料受力彎曲到斷裂時它所能承受的壓力強度下降。增加第二段螺桿轉(zhuǎn)速，復(fù)合材料的靜曲強度先下降后升高，這是因為經(jīng)過第一段螺桿擠出的WPP/ WPE/PRCMR共混物到達(dá)第二段螺桿擠出設(shè)備中，在螺桿的摩擦剪切作用下塑料基體固態(tài)床的形成、破裂、同時形成大量PRCMR顆粒漂浮于熔體中，降低了復(fù)合材料的靜曲強度，其后隨著螺桿擠出速度的提升，使物料組分尺寸進(jìn)一步細(xì)化與均勻，形成理想的結(jié)構(gòu)，其分布性與分散性有效提高，混合特性也越優(yōu)，復(fù)合材料的靜曲強度有一定回升。第二段機筒溫度的增加，對復(fù)合材料靜曲強度的影響沒有明顯規(guī)律。另一方面，如圖1所示，RA﹥RB﹥RD﹥RC ，所以對靜曲強度影響因素的大小次序為A﹥B﹥D﹥C，與表4的分析結(jié)果一致。

2.3 各因素對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料彈性模量的影響

各因素對復(fù)合材料彈性模量的正交試驗結(jié)果與影響趨勢曲線分別如表4與圖3所示。

表4 工藝參數(shù)對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料彈性模量正交試驗結(jié)果分析

圖3 各因素水平對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料彈性模量的影響

Fig.3 Effect of various factors on modulus of elasticity of WPP/ WPE/PRCMR composites

從表4可以看出，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料彈性模量的水平均值K值中K31=5.69， K42=5.58，K33=5.54，K24=5.69較大，說明A3、B4、C3、D2的水平最好，因此根據(jù)水平均值K值大小可以確定該實驗的最優(yōu)方案為A3B4C3D2，此時最佳工藝參數(shù)為第一段螺桿轉(zhuǎn)速為 80r/min，機筒溫度為220℃，第二段螺桿轉(zhuǎn)速為80r/min，機筒溫度為180℃。同時從表5正交分析結(jié)果的極差分析可以看出RA﹥RD﹥RB﹥RC，說明各工藝參數(shù)對復(fù)合材料彈性模量的影響由大到小的順序為A﹥D﹥B﹥C，可見第一段螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合模板彈性模量的影響最大，其次分別為第二段機筒溫度與第一段機筒溫度，第二段螺桿轉(zhuǎn)速對其影響較小。從圖3可以看出，隨著第一段螺桿與第二段螺桿轉(zhuǎn)速的增大，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料彈性模量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且均在轉(zhuǎn)速為80r/min達(dá)到最大值。這是因為第一階段螺桿轉(zhuǎn)速增大，使其在旋轉(zhuǎn)過程中對WPP/ WPE/PRCMR物料壓延、摩擦、剪切效應(yīng)凸顯，使物料充分熔融和均化，PRCMR纖維在塑料基體中的增韌效果增大，提高了復(fù)合材料抵抗彈性變形的能力，其彈性模量增大；第二階段，由于螺桿轉(zhuǎn)速不斷增大，物料擠出速度過快，所增加的剪切熱不足于平衡物料在給料段與壓縮段停留時間減少而損失的熱量，導(dǎo)致的塑料塑化不良，材料剛度增大，彈性模量下降。第一段與第二段機筒溫度的增加，對復(fù)合材料彈性模量的影響均呈現(xiàn)波動性變化。在極差分析中，圖3顯示的極差大小順序為RA﹥RD﹥RB﹥RC與表5正交實驗結(jié)果的極差分析趨勢相同。

2.4 WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料最優(yōu)工藝條件驗證

根據(jù)前述的最優(yōu)工藝條件，進(jìn)行5次重復(fù)實驗，結(jié)果如表5所示。

表5 WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料最優(yōu)工藝條件驗證試驗結(jié)果

從表5可以看出，當(dāng)?shù)谝欢温輻U轉(zhuǎn)速為 80r/min，機筒溫度為220℃，第二段螺桿轉(zhuǎn)速為40r/min，機筒溫度為180℃時，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料的沖擊強度、靜曲強度、彈性模量分別為57.91kJ/m2、59.95MPa、5.71 GPa，復(fù)合材料力學(xué)性能較好。

3 結(jié)論

(1)第一段螺桿轉(zhuǎn)速(A)、第一段機筒溫度(B)、第二段螺桿轉(zhuǎn)速(C)、第二段機筒溫度(D)對WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料力學(xué)性能的影響有所差異。對復(fù)合材料沖擊強度與靜曲強度影響因素的大小次序均為RA﹥RB﹥RD﹥RC，A、B、D是影響沖擊強度與靜曲強度的主要因素，C是次要因素；對復(fù)合材料彈性模量影響因素的大小次序均為RA﹥RD﹥RB﹥RC，A、D、B是影響彈性模量的主要因素，C是次要因素。(2)本實驗中，WPP/ WPE/PRCMR復(fù)合材料沖擊強度與靜曲強度較優(yōu)水平均為A3B3C1D2，彈性模量較優(yōu)水平均為A3B4C3D2，由于復(fù)合材料力學(xué)性能中沖擊強度與靜曲強度重要性要強于彈性模量，綜合得到復(fù)合材料工藝參數(shù)的較優(yōu)組合為A3B3C1D2，即第一段螺桿轉(zhuǎn)速為 80r/min，機筒溫度為200℃，第二段螺桿轉(zhuǎn)速為40r/min，機筒溫度為180℃。