PP/GF/黃麻纖維汽車內(nèi)飾用復(fù)合板材針刺工藝

李 艷,張得昆,徐自超,李 雙,劉可欣

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著汽車內(nèi)飾材料的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的汽車多層內(nèi)飾材料已不能滿足社會需要[1],質(zhì)輕、綠色環(huán)保的材料成為汽車內(nèi)飾材料研發(fā)的重點[2]。黃麻纖維具有天然可降解、密度小、強度高、成本低及耐磨等優(yōu)點[3-5],用作汽車內(nèi)飾材料可減少汽車重量、降低生產(chǎn)成本、對環(huán)境友好[6]。楊占元等[7]分析了黃麻/熱熔纖維針刺非織造材料在不同自然降解環(huán)境中的性能,發(fā)現(xiàn)其在土壤中的降解速度比戶外快。戴文碩等[8]制備了一種天然黃麻纖維增強PP復(fù)合材料,并對黃麻/PP復(fù)合材料的生命周期進行量化評價,得出黃麻/PP車門內(nèi)飾板在生命周期內(nèi)對環(huán)境較友好。Alix等[9]對麻纖維進行改性,并與不飽和聚酯樹脂進行復(fù)合，研發(fā)出一種機械強度更高的復(fù)合材料。但上述黃麻復(fù)合材料大都存在耐濕熱性差、使用壽命較短、吸音性差、阻燃性差等問題。

近年來,玻璃纖維復(fù)合材料因質(zhì)量輕、耐高溫[10]、吸音性能優(yōu)良等特點[11],廣泛用于汽車內(nèi)飾材料。美國BGF公司[12]、佳斯邁威公司[13]等生產(chǎn)出一種汽車內(nèi)飾用玻璃纖維針刺氈,絕熱溫度為540 ℃,短期可達667 ℃,耐熱性優(yōu)良,可用在各類絕熱材料上,但存在耐磨性差的問題。王瑋玲等[14]調(diào)整工藝參數(shù)制備出一種玻璃纖維復(fù)合針刺氈,耐熱性能和力學(xué)性能優(yōu)良。梁浩[15]制備PP/玻纖復(fù)合針刺氈,已用作汽車發(fā)動機的隔音材料。但均存在著生產(chǎn)成本高、降解性差等缺點[16]。

在實際生產(chǎn)過程中,通常將天然纖維與化學(xué)纖維復(fù)合,使其性能互補[17]。以黃麻纖維、玻璃纖維及PP纖維為原料,黃麻纖維可促進板材的輕量化和可降解，玻璃纖維可為板材提供良好的阻燃及耐高溫等性能，同時加入低熔點纖維,使力學(xué)性能進一步提升。探討PP/GF/黃麻纖維針刺氈的加工工藝,并進行烘燥和冷壓，制備汽車內(nèi)飾用纖維復(fù)合板材。

1 實 驗

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料 黃麻纖維(平均直徑110 μm,長度80～85 mm,青島金嶺沃國際貿(mào)易有限公司)，玻璃纖維(平均直徑7 μm,長度:65～70 mm,泰安浩華工程材料有限公司)，PP纖維(線密度1.67 tex，長度76 mm,淄博錦彤化纖有限公司)。

1.1.2 儀器 WL小型梳理針刺生產(chǎn)線 (太倉市雙鳳非織造布設(shè)備有限公司),202-3A型烘箱 (中國萊州市電子儀器有限公司),JCM-5000型掃描電子顯微鏡 (日本尼康公司),FA100A型電子天平 (上海皓莊儀器公司),YD141D型織物厚度儀 (溫州大榮紡織儀器有限公司),YG(B)026D-500 型電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司),SPO1 型水平燃燒試驗儀(深圳奧德賽創(chuàng)精密儀器有限公司),WDW-50型微機控制電子萬能試驗機(深圳三思縱橫科技股份有限公司)。

1.2 纖維復(fù)合板材的制備

1.2.1 針刺氈正交試驗設(shè)計 針刺氈是制備復(fù)合板材的基礎(chǔ),本實驗制備的復(fù)合板材用于汽車衣帽架,根據(jù)文獻[18]并進行多次預(yù)實驗，確定纖維復(fù)合板材厚度為3 mm。當針刺氈面密度為1 000 g/m2、厚度為9 mm左右時，制得的板材力學(xué)性能以及阻燃性能相對較好,因此在此基礎(chǔ)上對針刺氈的加工工藝進行優(yōu)化。

纖維比例、針刺密度對針刺氈的性能影響較大,因此以GF含量、黃麻纖維含量、針刺密度為因素,以針刺氈的拉伸強力為評價指標,設(shè)計三因素三水平正交試驗,以期得到面密度為1 000 g/m2、厚度為9 mm的針刺氈最佳制備方案。表1為正交試驗因素水平表。

表 1 正交試驗因素水平表Tab.1 Level of orthogonal test factors

1.2.2 針刺工藝參數(shù) 在確定針刺氈的面密度和厚度的基礎(chǔ)上,考慮混合均勻、梳理充分、降低纖維損傷等因素,經(jīng)過反復(fù)試機調(diào)整確定針刺工藝參數(shù)。圖1為PP/GF/黃麻纖維針刺工藝流程,表2～6為各設(shè)備工藝參數(shù)。

表 2 開松機工藝參數(shù)Tab.2 Technological parameters of opening machine

表 3 給棉機工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of cotton feeder

表 4 梳理機工藝參數(shù)Tab.4 Technological parameters of carding machine

表 5 鋪網(wǎng)機工藝參數(shù)Tab.5 Process parameters of laying machine

表 6 針刺機工藝參數(shù)Tab.6 Process parameters of needling machine

1.2.3 PP/GF/黃麻纖維復(fù)合板材的制備 利用優(yōu)化后的針刺工藝制備PP/GF/黃麻纖維針刺氈,再通過烘燥和冷壓成型工藝制得復(fù)合板材。經(jīng)過大量預(yù)實驗確定最佳烘燥溫度為190 ℃,烘燥時間為7 min,冷壓時間為5 min,冷壓厚度為3 mm。

1.3 性能測試

1.3.1 單位面積質(zhì)量 根據(jù)GB/T 24218.1—2009《紡織品非織造布試驗方法第1部分:單位面積質(zhì)量的測定》在FA100A型電子天平上進行測試。試樣尺寸為300 mm×300 mm,測量10塊試樣,求平均值。

1.3.2 厚度 根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品非織造布試驗方法第2部分:厚度的測定》在YD141D型織物厚度儀上進行測試。壓腳面積為2 500 mm2,壓強0.5 kPa。測試10塊試樣。

1.3.3 拉伸性能 根據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品非織造布試驗方法第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》在YG(B)026D-500 型電子織物強力機上進行測試。平行法取樣縱橫向各5塊,試樣尺寸300 mm×50 mm。夾持距離200 mm,拉伸速度100 mm/min。

1.3.4 阻燃性 根據(jù)GB/T 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》在SPO1型水平燃燒試驗儀上測試。取5塊試樣,尺寸為300 mm×80 mm,對水平方向的試樣點火15 s。

1.3.5 彎曲性能 根據(jù)GB/T 1449—2005 《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》在WDW-50型微機控制電子萬能試驗機上進行測試。試驗速度5 mm/min,跨距25 mm,試樣尺寸150 mm×25 mm,測試7塊試樣。

2 結(jié)果分析

2.1 針刺氈定量分析

9組試樣的單位面積質(zhì)量、厚度測試結(jié)果見表7。本文設(shè)計的PP/GF/黃麻針刺氈單位面積質(zhì)量為1 000 g/m2、厚度為9 mm。由表7可知,PP/GF/黃麻針刺氈的單位面積質(zhì)量、厚度符合預(yù)期設(shè)計,不勻率均在5%以內(nèi),可用于后期正交試驗的分析。單位面積質(zhì)量有所波動可能是使用小型實驗用設(shè)備,原料喂入均勻度和梳理質(zhì)量不夠好引起的。

表 7 針刺氈單位面積質(zhì)量及厚度測試結(jié)果Tab.7 Testing results of mass per unit area, thickness of needled-punched felt

2.2 針刺氈拉伸強力測試分析

本文設(shè)計PP/GF/黃麻針刺針刺氈是用于加工PP/GF/黃麻復(fù)合板材,主要用途為汽車衣帽架,因此以拉伸強力為試驗指標?？v橫向強力測試數(shù)據(jù)見表8，極差見表9。

表 8 縱橫向強力測試Tab.8 Vertical and horizontal strength test

表 9 極差分析表Tab.9 Range analysis

分析表9可得各因素對PP/GF/黃麻針刺氈拉伸強力性能的影響,主次關(guān)系為A> B> C。GF含量、黃麻纖維含量對PP/GF/黃麻針刺氈拉伸強力性能的影響依次為k1>k2>k3,即針刺氈的拉伸強力與GF含量、黃麻纖維含量呈反相關(guān)。GF及黃麻纖維增多反而降低了針刺氈強力,可能是此種針刺非織造布拉伸斷裂主要由纖維之間的滑移造成的,GF和黃麻纖維雖然強度高,但纖維剛性大,表面光滑,纖維之間的抱合力差,纖維難以糾纏,且易脆斷。但在制作復(fù)合板材時,由于PP會在高溫條件下熔融,聚丙烯纖維在其中充當黏合材料,可有效改善因纖維抱合力差導(dǎo)致針刺氈強力差的問題。針刺密度對PP/GF/黃麻針刺氈拉伸強力性能的影響為k3>k2>k1,即針刺氈的拉伸強力與針刺密度呈正相關(guān)。極差分析得最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B1C3,即PP/GF/黃麻纖維配比為60∶20∶20,針刺密度為400 刺/cm2。

為進一步分析各因素對指標的影響程度,對正交試驗結(jié)果進行方差分析[19],結(jié)果見表10。

表 10 方差分析表Tab.10 Analysis of variance

由表10可看出,GF含量和黃麻含量對樣品拉伸強力有顯著影響,針刺密度的影響不顯著?？紤]到針刺密度對針刺氈拉伸強力影響不顯著且針刺密度為300 刺/cm2和400 刺/cm2時強力差別不大,因此確定針刺密度為300 刺/cm2,既保證了針刺氈強力,同時有利于提高生產(chǎn)效率,降低成本,減少玻璃纖維和黃麻纖維的損傷。

綜合極差分析和方差分析可知,PP/GF/黃麻纖維汽車內(nèi)飾復(fù)合板材優(yōu)化后的針刺工藝為PP/GF/黃麻纖維比例60∶20∶20,針刺密度為300 刺/cm2。

2.3 最優(yōu)工藝纖維復(fù)合板材性能

2.3.1 纖維復(fù)合板材結(jié)構(gòu)特征 PP/GF/黃麻纖維汽車內(nèi)飾復(fù)合板材縱橫向截面的SEM照片如圖2所示。從圖2可看出,樣品縱橫向差異較小且各種纖維分布比較均勻,PP 纖維完全熔融，且玻璃纖維、黃麻纖維之間黏合也較好。

2.3.2 物理性能 PP/GF/黃麻纖維汽車內(nèi)飾復(fù)合板材的各項指標測量值見表11。平均厚度為3.07 mm,符合預(yù)期冷壓成型厚度設(shè)計。拉伸性能和抗彎曲性能優(yōu)良，可用于汽車衣帽架骨架材料[18]?；鹧媛铀俾实?燃燒速率遠小于GB 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》中規(guī)定的燃燒速率100 mm/min,阻燃性能優(yōu)良。綜上分析可知該復(fù)合板材性能較好。

表 11 各項指標測量值Tab.11 Measured values of each index

3 結(jié) 論

1) 影響針刺氈拉伸強力的因素主次順序為GF含量、黃麻纖維含量、針刺密度;GF含量、黃麻纖維含量對針刺氈拉伸強力有顯著影響,針刺密度影響不顯著。

2) 優(yōu)化后的針刺工藝參數(shù)為PP/GF/黃麻纖維比例60∶20∶20、針刺密度為300 刺/cm2。利用聚丙烯纖維的低熔點特性,對針刺后的纖網(wǎng)烘燥進行熱熔黏合加固,可提升針刺氈性能。

3) 所制備纖維復(fù)合板材纖維之間黏合較好且分布均勻;樣品拉伸性能和彎曲性能符合汽車衣帽架的要求,阻燃性能達到國家汽車內(nèi)飾阻燃標準。