李貴陽，許 鶴，馬 菲

(中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南鄭州，450007)

0 前言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)產(chǎn)品某些性能的需求，輕質(zhì)、高性能的纖維復(fù)合材料亟須拓展，并投入實(shí)際應(yīng)用。目前，已用多種纖維復(fù)合材料廣泛用于汽車制造行業(yè)，如長線纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料等比比皆是［1－3］，國內(nèi)外其多采用黃麻、紅麻、亞麻、苧麻、劍麻等麻類纖維或玻璃纖維與丙綸纖維混合制備熱塑性纖維復(fù)合板材［4－6］，用于汽車內(nèi)飾，替代部分金屬部件，可以達(dá)到減輕車體重量、提高能源利用率、減少廢氣排放量［7－9］，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文以再生滌綸、黃麻和丙綸短纖維為試驗(yàn)原料，通過針刺加固成網(wǎng)、熱壓定型工藝，制得再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合板材，研究纖維復(fù)合板材的力學(xué)性能，并以其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度作為評定依據(jù)，得出板材制備過程中的最優(yōu)工藝參數(shù)。同時(shí)，本文所用的再生滌綸纖維多是回收的廢棄聚酯材料再加工制備而得［10，11］，益于環(huán)保。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用的原料如表1所示:

表1 纖維原料

1.2 樣品制備

試驗(yàn)樣品的原料取自于表1中的三種纖維材料，其中再生滌綸纖維(PET)(來至浙江杭州高昌紡織化纖有限公司)和黃麻(來源未知)作為復(fù)合板材的增強(qiáng)體，丙綸纖維(PP)(來至湖北博韜合纖有限公司)作為基體熱熔后使纖維與纖維間粘結(jié)在一起，從而達(dá)到加固的目的。

1.2.1 工藝流程

首先采用針刺法非織造工藝制備再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合毛氈;其次，對其熱壓定型，如下頁圖1所示:

圖1 再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合氈生產(chǎn)工藝流程

(1)纖維原料準(zhǔn)備

從纖維包中取出再生滌綸纖維、黃麻纖維和丙綸纖維維，按照試驗(yàn)設(shè)定的纖維混合比例稱量。

(2)纖維原料開松和混合

將預(yù)先稱取的再生滌綸纖維、黃麻和丙綸纖維喂入開松設(shè)備，使纖維快或纖維束分離開，同時(shí)，纖維原料得到初步的混合。再經(jīng)過兩個(gè)大倉混棉機(jī)，纖維原料得到再一次的混合。

(3)梳理

進(jìn)過開松混合后的纖維原料喂入到梳理機(jī)，由梳理單元對纖維進(jìn)行梳理，最后由道夫轉(zhuǎn)移出輕薄的再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合網(wǎng)。

(4)成網(wǎng)

道夫轉(zhuǎn)輸出的輕薄再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合網(wǎng)在鋪網(wǎng)設(shè)備的作用下，重復(fù)疊鋪成一定克重和幅寬的厚纖維網(wǎng)。

(5)針刺

單針板式預(yù)針刺機(jī)對疊鋪后的再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合網(wǎng)進(jìn)行預(yù)針刺加固，而后在進(jìn)行1～2道的主針刺加固，制得再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合氈，其克重在1500g/m2左右。

(6)熱壓成型

對再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合氈進(jìn)行熱壓，由于丙綸熔點(diǎn)較低，受熱后熔融，流入纖維間的空隙之中，待冷卻之后粘結(jié)纖維，從而使得纖維被加固，制得纖維復(fù)合板。

1.2.2 試驗(yàn)安排

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和相關(guān)研究，按照表2中的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行制樣。

表2 上機(jī)制樣試驗(yàn)參數(shù)

注:在熱壓過程中加熱板的溫度散失約50℃。

按照表2的上機(jī)制樣試樣參數(shù)進(jìn)行試樣制備，最終制得面密度為1300g/m2～1500g/m2、厚度為2.29mm～2.96mm、長寬為1.5m的纖維復(fù)合板材，研究制備的纖維復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，并以此作為評定指標(biāo)，分析得出最佳工藝參數(shù)。

1.3 測試標(biāo)準(zhǔn)與儀器

1.3.1 測試標(biāo)準(zhǔn)

(1)參考GB/T 1447－2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，測試?yán)w維復(fù)合板材的拉伸性能［12］;

(2)參考GB/T 1449－2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，測試?yán)w維復(fù)合板材的彎曲性能的測試［13］。

1.3.2 測試儀器

YG065型電子織物強(qiáng)力儀

美國INSTRON－5582型萬能強(qiáng)力儀

1.3.3 樣品規(guī)格及試驗(yàn)條件

(1)拉伸強(qiáng)度測試

試樣的尺寸為:180mm×20mm;隔距:110mm;拉伸速度:10mm/min;拉伸方式:等伸長拉伸(CRE);溫濕度:20℃、65%;測試次數(shù):5次。

(2)彎曲強(qiáng)度測試

試樣寬度(b):25mm，長度(l):l=20×h;跨距(L):L=16×h(其中h表示板材的厚度);試驗(yàn)速度:10mm/min;彎曲方式:三點(diǎn)彎曲;溫濕度:20℃、65%;測試次數(shù):5次。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維原料的配比對板材力學(xué)性能的影響

在熱壓溫度為220℃、熱壓時(shí)間為1.5min、熱壓壓力為4MPa的試驗(yàn)條件下，制得不同混纖比的纖維復(fù)合板材，通過測試復(fù)合板材的拉伸性能和彎曲性能，分析纖維的混合比例對纖維復(fù)合板材的性能的影響，如圖2、圖3所示。

圖2 纖維配比對板材拉伸性能的影響

圖3 纖維配比對板材彎曲性能的影響

圖2和圖3分別是不同再生滌綸纖維(PET)、黃麻和丙綸纖維(PP)的質(zhì)量配比對纖維復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響關(guān)系圖，從圖中可以看出在一定的范圍內(nèi)，復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均隨著丙綸纖維(PP)的含量的增加而先增大后減小，在其比例為30%，即三種纖維混合比例為35:35:30時(shí)，復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最大。其原因是在其他條件不變的情況下，丙綸纖維(PP)的含量比例提高，丙綸熱熔體增多，能更好的流入纖維間的空隙，粘結(jié)纖維，因此，纖維復(fù)合板材拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度也得到提高，繼續(xù)增加丙綸纖維的比例，起增強(qiáng)作用的再生滌綸纖維和黃麻纖維的含量就減少，因此，復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度會(huì)有所降低。

2.2 熱壓溫度對板材力學(xué)性能的影響

在纖維混合比為35:35:30、熱壓時(shí)間為1.5 min、熱壓壓力為4MPa的試驗(yàn)條件下，制得不同熱壓溫度的纖維復(fù)合板材，通過測試復(fù)合板材的拉伸性能和彎曲性能，分析熱壓溫度對纖維復(fù)合板材的性能的影響，如圖4、圖5所示。

圖4 熱壓溫度對板材拉伸性能的影響

圖5 熱壓溫度對板材彎曲性能的影響

圖4和圖5是纖維復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度與熱壓溫度的關(guān)系圖，在一定的范圍內(nèi)，復(fù)合板材的拉伸和彎曲強(qiáng)度都隨著熱壓溫度的升高而增大，當(dāng)熱壓溫度為230℃時(shí)，復(fù)合板材的拉伸和彎曲強(qiáng)度均達(dá)到最大值;當(dāng)熱壓溫度繼續(xù)升高時(shí)，復(fù)合板材的拉伸和彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢，因?yàn)槠鸪蹼S著熱壓溫度的升高，丙綸纖維受熱熔融，在熱壓溫度為230℃時(shí)，其熔融的最為充分，更多的丙綸熱熔體流入纖維間空隙，形成較多的粘結(jié)點(diǎn)，有助于提高板材強(qiáng)度。但是，當(dāng)熱壓溫度再繼續(xù)升高，丙綸纖維就會(huì)分解，從而降低(或喪失)了在板材中粘結(jié)纖維的作用，復(fù)合板材的拉伸和彎曲強(qiáng)度就會(huì)隨之降低。

2.3 熱壓時(shí)間對板材力學(xué)性能的影響

在纖維混合比為 35:35:30、熱壓溫度為230℃、熱壓壓力為4MPa的試驗(yàn)條件下，制得不同熱壓時(shí)間的纖維復(fù)合板材，通過測試復(fù)合板材的拉伸性能和彎曲性能，分析熱壓時(shí)間對纖維復(fù)合板材的性能的影響，如圖6、圖7所示:

圖6 熱壓時(shí)間對板材拉伸性能的影響

圖7 熱壓時(shí)間對板材彎曲性能的影響

圖6和圖7是纖維復(fù)合板材的拉伸和彎曲強(qiáng)度與熱壓時(shí)間的關(guān)系圖。在一定范圍內(nèi)，拉伸和彎曲強(qiáng)度均隨著熱壓時(shí)間的延長而增加，因?yàn)闊釅簳r(shí)間長，丙綸纖維熔融、滲入纖維間空隙更充分，形成更多的纖維粘結(jié)點(diǎn)，加固纖維復(fù)合板材，提高其強(qiáng)度;當(dāng)熱壓時(shí)間為1.0min時(shí)，纖維復(fù)合的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均到達(dá)最大值，但是，若熱壓時(shí)間過長，丙綸纖維較長時(shí)間的受熱而分解，不利于形成良好的纖維粘結(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致復(fù)合板材的強(qiáng)度降低。

2.4 熱壓壓力對板材力學(xué)性能的影響

在纖維混合比為 35∶35∶30、熱壓溫度為230℃、熱壓時(shí)間為1.0min的試驗(yàn)條件下，制得不同熱壓壓力的纖維復(fù)合板材，通過測試復(fù)合板材的拉伸性能和彎曲性能，分析熱壓壓力對纖維復(fù)合板材的性能的影響，如圖8、圖9所示:

圖8 熱壓壓力對板材拉伸性能的影響

圖9 熱壓壓力對板材彎曲性能的影響

圖8和圖9是纖維復(fù)合板材的拉伸和彎曲強(qiáng)度與熱壓壓力的關(guān)系圖。在一定范圍內(nèi)，纖維復(fù)合板材的拉伸斷和彎曲強(qiáng)度均隨著熱壓壓力的增加而提高，當(dāng)熱壓壓力為5MPa時(shí)，纖維復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度最大，當(dāng)繼續(xù)增加熱壓壓力的時(shí)候，纖維復(fù)合板材的強(qiáng)度反而降低。這主要是因?yàn)樵龃鬅釅簤毫τ兄诒]纖維熱熔體在外力作用下向纖維空隙中流動(dòng)，使纖維間形成更多的粘結(jié)點(diǎn)，有利于復(fù)合板材強(qiáng)度的提高。但當(dāng)熱壓壓力增加(或過高)時(shí)，纖維氈中的纖維間的空隙也會(huì)減小，纖維氈被壓緊，纖維間空隙變小變少而不利于丙綸纖維熱熔體滲入，使得纖維復(fù)合板材的強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究得出，纖維原料的混合比例、熱壓(參數(shù)溫度、時(shí)間、壓力)對再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合板材力學(xué)性能受很大的關(guān)系。

根據(jù)試驗(yàn)研究，分析得出制備再生滌綸/黃麻/丙綸纖維復(fù)合板材的最佳工藝參數(shù)為再生滌綸纖維、黃麻和丙綸纖維的混合比例為35:35:30、熱壓溫度為230℃、熱壓時(shí)間1.0min、熱壓壓力5MPa，其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均最大。

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