陳 超, 于 永 玲, 呂 麗 華, 劉 潤(rùn) 華

(大連工業(yè)大學(xué) 綠色纖維應(yīng)用技術(shù)研究所, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

天然植物纖維黃麻纖維具有成本低、比強(qiáng)度高、比模量高、可降解等優(yōu)點(diǎn)廣受研究界的厚愛(ài)[1]。PP是一種密度較輕的熱塑性塑料,有較高的極限使用溫度,可以回收利用,且價(jià)格較低[2]。采用黃麻氈和PP復(fù)合制備的復(fù)合材料不僅能達(dá)到環(huán)保要求,還具有質(zhì)輕、強(qiáng)力高、韌性好、不易變形、成本低等特點(diǎn)。黃麻氈/PP復(fù)合材料可以用于汽車(chē)的門(mén)板、后擱物箱、行李箱側(cè)圍、高架箱、頂篷、支柱、座椅靠板等內(nèi)飾材料,不僅能滿足強(qiáng)力要求,還能減少汽車(chē)本身的質(zhì)量,節(jié)約能源,符合低碳環(huán)保趨勢(shì)[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于黃麻/PP復(fù)合的研究比較多,一般采用的都是混煉或擠塑模壓成型,但是對(duì)于層壓法研究的相對(duì)較少[4-5]。本文黃麻氈/PP的復(fù)合正是采取層壓法,整個(gè)過(guò)程在真空條件下進(jìn)行,克服了傳統(tǒng)層壓法易產(chǎn)生氣泡、分層嚴(yán)重的缺點(diǎn),并且相比模壓法制備簡(jiǎn)單快速,大大提高了生產(chǎn)效率[6]。本文主要探討了熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時(shí)間等工藝條件對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響,并得出了最優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料:黃麻氈(厚度2 mm),PP薄膜(厚度0.6 mm),NaOH,分析純。

儀器:QLB63手動(dòng)真空平板硫化機(jī),RGT-5萬(wàn)能制樣機(jī),RG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 樣品制備

1.2.1 材料預(yù)前處理

將黃麻氈烘干置于一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液中,常溫下浸漬1 h,處理完畢后用稀酸溶液、清水洗滌至中性,然后將其置于80 ℃的烘箱中烘干,取出后做成20 cm×20 cm的樣品氈裝入密封袋保存,同時(shí)將PP薄膜做成20 cm×20 cm樣品放入密封袋中以備用。

1.2.2 熱壓工藝

將已備好的PP膜和黃麻氈稱重,按照一定的質(zhì)量配比交替鋪層,鋪層順序是PP膜做上下表面層,中間PP膜與黃麻氈層間隔鋪放,鋪層時(shí)要求均勻,以降低層間應(yīng)力,避免分層。PP膜為7層,黃麻氈為6層,共13層。將鋪設(shè)好的層樣放入模具中,制樣厚度設(shè)為 3 mm,然后將模具放入熱壓機(jī)中進(jìn)行壓制,完成后冷卻脫模。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

將不同條件下制備的樣板進(jìn)行修正處理,按照標(biāo)準(zhǔn)在RGT-5萬(wàn)能制樣機(jī)制備所需樣條,將樣條放置在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡24 h,然后放在RG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)定。拉伸性能測(cè)試按GB/T 1447—2005進(jìn)行,試樣長(zhǎng)度180 mm,夾頭的夾持距離115 mm,拉伸試驗(yàn)速度10 mm/min；彎曲性能測(cè)定按GB/T 1449—2005進(jìn)行,試樣規(guī)格80 mm×10 mm,試驗(yàn)跨距64 mm,彎曲試驗(yàn)速度10 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果分析熱壓工藝參數(shù),在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)固定以下條件:(1)m(PP) ∶m(黃麻)=40∶60；(2)黃麻氈用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液處理；(3)熱壓過(guò)程在抽真空中進(jìn)行。在此條件下,為了確定各個(gè)工藝因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響主次順序,以拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度為指標(biāo),將熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時(shí)間3個(gè)因素進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)锳>B>C,即熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓時(shí)間；對(duì)彎曲強(qiáng)度影響因素主次順序?yàn)锳>C>B,即熱壓溫度>熱壓時(shí)間>熱壓壓力。在所有因素中,對(duì)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響最大的都是熱壓溫度。

2.2 工藝參數(shù)單因素分析

2.2.1 熱壓溫度

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)熱壓時(shí)間為9 min,熱壓壓力8 MPa,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出復(fù)合材料的力學(xué)性能迅速提升后急劇降低。開(kāi)始熱壓溫度較低,樹(shù)脂內(nèi)部大分子熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小,流體的黏度系數(shù)較大,不利于樹(shù)脂對(duì)黃麻氈的浸潤(rùn),導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)力相對(duì)較低。但是隨著溫度升高,黏度系數(shù)降低,樹(shù)脂更容易深入纖維間的空隙,增加了纖維間的摩擦阻力,并與纖維間形成一個(gè)良好的力學(xué)界面,從而提高材料的力學(xué)性能。溫度達(dá)到180 ℃時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最大,分別是27.82和98.33 MPa,之后再提高溫度,不但會(huì)使黃麻本身的力學(xué)性能受到破壞程度加劇,同時(shí)也會(huì)使樹(shù)脂流體黏度過(guò)小,不利于內(nèi)部力學(xué)界面的形成,從而會(huì)降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。從圖1可知,彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的熱壓最優(yōu)工藝都是180 ℃。

圖1 溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

Fig.1 Effect of temperature on the mechanical properties of composites

2.2.2 熱壓時(shí)間

當(dāng)熱壓溫度為180 ℃,熱壓壓力8 MPa,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出復(fù)合材料的力學(xué)性能迅速提升后緩慢降低。在熱壓過(guò)程中,樹(shù)脂浸潤(rùn)黃麻氈內(nèi)部并與纖維成一個(gè)較好的力學(xué)界面,需要一定的時(shí)間,如果時(shí)間過(guò)短,則浸潤(rùn)不完全,復(fù)合材料就會(huì)產(chǎn)生局部強(qiáng)力不勻的現(xiàn)象,從而造成整體力學(xué)性能的下降。當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后,樹(shù)脂浸潤(rùn)完全,并形成良好的界面,此時(shí)即使增加熱壓時(shí)間,復(fù)合材料的力學(xué)性能也不會(huì)提高,反而時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)黃麻的本身的力學(xué)性能造成破壞。從圖2中可以看出,拉伸強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在9 min處,彎曲強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在12 min處,為提高生產(chǎn)效率并節(jié)約能源,最優(yōu)時(shí)間取9 min。

圖2 時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

Fig.2 Effect of time on the mechanical properties of composites

2.2.3 熱壓壓力

當(dāng)熱壓溫度為180 ℃,熱壓時(shí)間9 min,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出,復(fù)合材料的力學(xué)性能先迅速提升后趨向于平緩。從圖4可以看出,黃麻氈本身內(nèi)部纖維排列較為緊密,如果壓力太小,樹(shù)脂無(wú)法浸潤(rùn)黃麻氈內(nèi)部,就會(huì)使黃麻氈局部出現(xiàn)空隙現(xiàn)象,造成整體復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。當(dāng)壓力達(dá)到一定界限時(shí),即使提高熱壓壓力,復(fù)合材料的力學(xué)性能也不會(huì)有太大變化。從圖3中可以看出,拉伸強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在熱壓壓力為8 MPa處,彎曲強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在熱壓壓力為10 MPa處。從8 MPa以后增加熱壓壓力對(duì)拉伸強(qiáng)度影響不大,但是可以讓彎曲強(qiáng)度得到最大的提高,所以最優(yōu)壓力選取10 MPa,此時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是27.58 MPa。

圖3 壓力對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

Fig.3 Effect of pressure on the mechanical properties of composites

3 結(jié) 論

工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)?熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓時(shí)間,對(duì)彎曲強(qiáng)度影響的先后順序?yàn)?熱壓溫度>熱壓時(shí)間>熱壓壓力,在所有因素中,熱壓溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響最大。當(dāng)PP膜與黃麻氈質(zhì)量比為40∶60時(shí),所制備復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度在工藝條件為熱壓溫度180 ℃、熱壓壓力10 MPa、熱壓時(shí)間9 min時(shí)最優(yōu),此時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別是27.58和101.89 MPa。

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