纖維組分比例對玄武巖/聚丙烯復合材料力學性能影響研究

邱菊生，鐘智麗，石 磊，張 衡

（天津工業大學紡織學院，天津 300160）

纖維組分比例對玄武巖/聚丙烯復合材料力學性能影響研究

邱菊生，鐘智麗，石 磊，張 衡

（天津工業大學紡織學院，天津 300160）

采用非織造加工工藝，將玄武巖纖維和聚丙烯纖維通過開松混合后梳理成網，然后按照一定的尺寸制成預制件，使用模壓成型工藝制備玄武巖/聚丙烯復合材料，研究不同比例的玄武巖纖維和聚丙烯纖維對復合材料力學性能的影響，并通過數學方差分析方法確定了影響因素的顯著性.結果表明：當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例為30/70時，復合材料的拉伸、彎曲強度和模量達到最高，最大拉伸強度、彎曲強度分別為92.998 MPa和156.134 MPa，最大拉伸和彎曲模量分別為3.400 GPa和1.288 GPa.

玄武巖/聚丙烯；復合材料；拉伸性能；彎曲性能

玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后加入熔窯中，經過高溫熔融、澄清均化，熔化后的原料直接流入成形通路，拉制成纖維[1].玄武巖纖維具有耐高溫、高強高模、耐腐蝕性好、導熱系數小等許多優良的物理化學特點，已經成為當今世界研究開發的一個熱點課題[2-3].同時，玄武巖纖維屬于可自然降解的、價廉質輕的天然纖維，在工業中有著良好的應用前景[4-5].聚丙烯纖維是用石油精煉的副產物丙烯為原料制得的合成纖維，原料來源豐富，生產工藝簡單，并具有強度高、耐磨損、耐腐蝕、相對密度輕等一系列優點.玄武巖纖維可以降解為土壤母質，聚丙烯纖維可以回收利用，因此玄武巖/聚丙烯復合材料在使用廢棄后不會對環境造成二次污染，具有很大的開發潛力.本文研究以聚丙烯纖維為基體、以玄武巖纖維為增強體的熱塑性復合材料，主要研究了玄武巖纖維所占比例對玄武巖/聚丙烯復合材料力學性能的影響.

1 實驗部分

1.1 實驗原料及性能

玄武巖纖維，采用光學投影法測得纖維的平均直徑為7 μm，由浙江石金玄武巖纖維有限公司提供.對玄武巖纖維進行斷裂強度測試，本實驗所用儀器為HD-021型電子單紗強力儀，測試結果見表1.

表1 玄武巖纖維主要力學指標Tab.1 Main mechanical indicators of basalt fiber

聚丙烯纖維，顏色為本白色，直徑為0.2 tex，卷曲數25個/cm，熔點為165℃，由江蘇省泰州市晨光合成纖維廠提供.對聚丙烯纖維組進行斷裂強度測試，本實驗所用儀器為YG01A型纖維電子強力儀，測試結果見表2.

表2 聚丙烯纖維主要力學指標Tab.2 Main mechanical indicators of polypropylene fiber

1.2 實驗儀器

在預制件的制作過程中使用了青島市膠南針織機械廠的XFH型小和毛機和天津工業大學自制的羅拉錫林式梳理機，分別用于開松混合短切玄武巖纖維（短切長度為60mm）和聚丙烯纖維，梳理混合成網.

在復合材料的制作過程中使用了天津液壓機廠的YTD71-45A塑料制品液壓機，并在模壓成型工藝中使用了PMR脫模劑（天津樂泰化工連鎖超市提供），目的是為了使復合材料從液壓機的上下模中脫落時，對其表面沒有損害，從而使得復合材料的力學性能不受影響.

在測試復合材料的拉伸、彎曲性能時，使用了美國INSTRON3369型萬能電子強力儀.

1.3 玄武巖/聚丙烯復合材料的制備

1.3.1 預成型件的制備

亞麻纖維在亞麻/PLA復合材料中的質量分數為35%左右時復合材料的力學性能最好[6-7]，所以本實驗采用的聚丙烯纖維和玄武巖纖維的質量比例分別為60/40、65/35、70/30、75/25和80/20.復合材料板的規格為（長×寬）320 mm×380 mm.實驗中以定重192 g喂入纖維，則玄武巖纖維和聚丙烯纖維的喂入量分別按下式計算：

預成型件中纖維的質量（g）=預成型件設定的總質量（g）×纖維的質量分數（%）

由于玄武巖纖維在開松和混合梳理的過程中會有部分損失，因此在設計其重量時，根據預實驗的結果在其理論參數的基礎上加8 g，所以實驗用玄武巖纖維的質量分別為84.8、75.2、65.6、56.0和46.4 g.

玄武巖纖維在復合材料中一般采用手動鋪放，存在著鋪放時不均勻的問題，而且在模壓成型時，玄武巖纖維會隨著聚丙烯熔體的流動而不穩定，使得復合材料的成型不均勻，從而影響復合材料的力學性能.為此，在本實驗中將玄武巖纖維和聚丙烯纖維混合開松，混合梳理，這樣玄武巖纖維就能夠均勻地分布在成網中.混合開松的次數為3次，目的是為了使玄武巖纖維和聚丙烯纖維更好地混合而又不損傷纖維.再在梳棉試驗機上將混合纖維進一步混合梳理成網，梳理次數以2次為宜.

1.3.2 復合材料的模壓參數設計和模壓成型

模壓溫度、模壓時間和模壓壓力對復合材料的力學性能有著十分重要的影響.模壓溫度過高，聚丙烯基體容易纏身翹曲甚至裂解，使得聚丙烯纖維的性能變差，導致復合材料的力學性能下降.模壓時間過短，聚丙烯纖維熔融不充分，不能很好地連接和包覆纖維；時間過長，容易造成聚丙烯基體的裂解，力學性能下降.模壓壓力對改善纖維網的熱量傳遞，促進熔融纖維的熔體流動，增加纖維接觸面積有顯著作用.但是，壓力過大，壓緊纖維束，使纖維之間的縫隙減小，增加了聚丙烯熔體浸透纖維束的難度.因此，本文根據預實驗設計了模壓參數為：模壓溫度為195℃，預熱時間為10 min，模壓壓力為10 MPa.

在YTD71-45A塑料制品液壓機的上、下模板上分別涂覆PMR脫模劑，待脫模劑干燥后，將預成型件放入上、下模板之間.然后按照設計的參數進行模壓成型.復合材料的模壓成型工藝流程見圖1.

圖1 復合材料的模壓成型工藝流程圖Fig.1 Composite molding process diagram

1.4 復合材料的性能測試

1.4.1 拉伸實驗

采用美國INSTRON3369型萬能電子強力儀進行測量.測試標準為GB1447-83《玻璃纖維增強塑料拉伸性能》[8].測試條件為：拉伸速度2 mm/min，溫度25℃，濕度50%.

1.4.2 彎曲實驗

采用美國INSTRON3369型萬能電子強力儀進行測量.測試標準為GB1449-83《玻璃纖維增強塑料彎曲性能》[10].測試條件同上.

2 結果與討論

2.1 力學性能

在玄武巖/聚丙烯復合材料中，作為增強體的玄武巖纖維是復合材料中載荷的主要承受體，玄武巖纖維的斷裂強度對復合材料的力學性能起著決定性的作用.聚丙烯纖維具有低熔點的特點，在經過熱壓后，使纖維和纖維之間的粘結力加強，從而使得復合材料的力學性能得到很大程度的增強.分別對不同比例的復合材料進行拉伸和彎曲性能的測試，測試結果如圖2～圖5所示.

從圖2、圖3中可見，當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例為40/60的時，復合材料的拉伸強度和拉伸模量都為最小.隨著玄武巖在復合材料中比例的增加，復合材料的拉伸強度和拉伸模量不斷地增強.但是當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例為30/70時，復合材料的拉伸強度和拉伸模量達到最大值.然而，當兩者的比例低于30/70時，復合材料的拉伸性能反而會因為玄武巖纖維含量的增加而逐漸降低.

從圖4、圖5中可見，當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例為40/60時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量也是最小的.隨著玄武巖纖維在復合材料中的含量逐漸增加，復合材料的彎曲強度和彎曲模量也漸漸地增加.直到玄武巖纖維和聚丙烯纖維兩者的比例為30/70時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量達到最大值.當繼續增加玄武巖纖維在復合材料中的比例時，復合材料的抗彎曲性能卻又出現不斷降低的趨勢.

2.2 方差分析

為了檢驗復合材料纖維組分比例是否是影響其力學性能的一個顯著因素，根據實驗結果對其進行方差分析，見表3～表6.

由表3～表6可見，玄武巖/聚丙烯復合材料的拉伸、彎曲性能受到玄武巖纖維與聚丙烯纖維的質量比例的顯著影響，復合材料的拉伸和彎曲性能隨著增強體玄武巖纖維含量的增加而增強，但并不是一直隨著增強體玄武巖纖維含量的增加而增強，而是在玄武巖纖維和聚丙烯纖維的質量比例達到30/70前，復合材料的拉伸和彎曲性能隨著玄武巖纖維含量的增加而增強；但當兩者的質量比例超過30/70后，復合材料的拉伸和彎曲性能又逐漸降低，只有在玄武巖纖維和聚丙烯纖維的質量比例為30/70時，復合材料的力學性能才達到最佳.產生這種現象的主要原因是，在拉伸和彎曲實驗時，裂紋首先從試樣底部產生.隨著作用力的增加，裂紋沿著試樣截面逐漸擴展.在試樣斷裂的過程中，不僅僅要破壞聚丙烯基體，還要破壞玄武巖和基體之間的界面.

表3 纖維組分對復合材料拉伸強度的方差分析表Tab.3 Variance analysis of tensile strength of composites

表4 纖維組分對復合材料拉伸模量的方差分析表Tab.4 Variance analysis of tensile modulus of composites

表5 纖維組分對復合材料彎曲強度的方差分析表Tab.5 Variance analysis of bending strength of composites

表6 纖維組分對復合材料彎曲模量的方差分析表Tab.6 Variance analysis of bending modulus of composites

當玄武巖纖維的含量沒有達到30%時，聚丙烯纖維的質量過多，熔融后的聚丙烯纖維能夠包覆所有的玄武巖纖維，而被包覆的玄武巖纖維又能夠完全被包覆，形成很好的包覆效果，這時復合材料的力學性能主要受到其中增強體玄武巖纖維含量的影響，自然會隨著玄武巖纖維的質量比例的不斷增加而增強；當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的質量比例達到30/70時，復合材料的力學性能達到最強.這是由于此時熔融后的聚丙烯纖維的質量能夠恰到好處地包覆所有的玄武巖纖維，而且形成的包覆效果也很好，兩者的比例達到最優；當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例超過30/ 70這個比例的時候，則出現了復合材料的力學性能隨著玄武巖纖維含量的增加而下降的趨勢.這時復合材料的力學性能主要取決于熔融的基體包覆增強體的能力.復合材料的力學性能之所以會出現下降趨勢，則是因為當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例超過30/ 70時，玄武巖纖維在復合材料中所占比例過大，使得熔融后的聚丙烯不能夠包覆所有玄武巖纖維，而被包覆的玄武巖纖維的包覆效果又不是很好，甚至過量的玄武巖纖維在復合材料中以游離或簡單的堆積狀態存在，那么聚丙烯纖維就不能夠形成很好的握持玄武巖纖維的效果，起不到強有力的支撐作用，這在很大程度上就勢必會影響復合材料的拉伸和彎曲性能，使其力學性能產生下降的趨勢.

3 結論

在模壓溫度、模壓時間、模壓壓力相同的條件下，研究玄武巖纖維和聚丙烯纖維的組分對其復合材料性能影響，可以得到以下結論：

（1）采用方差分析法，確認玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例對復合材料的拉伸、彎曲性能有著顯著的影響.

（2）當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的比例為30/70時，玄武巖/聚丙烯復合材料的拉伸和彎曲性能都達到最佳，此時拉伸和彎曲強度分別為92.998 MPa和156.134 MPa，拉伸和彎曲模量分別為3.400 GPa和1.288 GPa.

[1]閏全英.玄武巖纖維制備的熱工機理和材料研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2000.

[2]陸 青，周 華，梁海川，等.玄武巖纖維的研究與應用[C]//第六屆功能性紡織品及納米技術研討會論文集.2006.

[3]胡顯奇，陳紹杰.世界復合材料的發展趨勢以及連續玄武巖纖維的發展商機[J].高科技纖維與應用，2005，30（3）：9-12.

[4]鄭 融，冼杏娟，葉穎薇，等.黃麻纖維/環氧復合材料及其性能分析[J].復合材料學報，1995，12（1）：18-24.

[5]鐘智麗，劉華武.提高玄武巖長絲可織性的研究[J].產業用紡織品，2008（2）：33-36.

[6]張文娜，李亞濱.聚乳酸/亞麻復合材料的制備與性能研究[J].天津工業大學學報，2008，27（10）：42-45.

[7]OKSMAN K，SKRIFVARS M，SELIN J F.Natural fibers as reinforcement in polylactic acid（PLA）composites[J].Composites Science and Technology，2003，63（9）：1317-1324.

[8]國家標準總局.GB14447-83玻璃纖維增強塑料拉伸試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1984.

[9]國家標準總局.GB1449-83玻璃纖維增強塑料彎曲試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1984.

Research on influence factors on mechanical properties of basalt/polypropylene composites

QIU Ju-sheng，ZHONG Zhi-li，SHI Lei，ZHANG Heng
（School of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

The effects of proportion of basalt fiber to polypropylene on mechanical properties of basalt/polypropylene composite is studied.Nonwoven processing was used to open and comb basalt short-cutting fibers and polypropylene.Then the two kinds of fibers were made into pre-formed pieces which were made into composite material by molding.Variance analysis was used to determine the significance of the effect.The result showed that the tensile property and bending property could be best while the proportion of basalt fiber to polypropylene was 30/70.The maximum tensile strength and bending strength was 92.998 MPa and 156.134 MPa，and the maximum tensile modulus and bending modulus was 3.400 GPa and 1.288 GPa.

basalt/polypropylene；composite material；tensile property；bending property

book=1,ebook=20

TS102.41；TS102.526

A

1671－024X（2010）01－0023－04

2009-09-17 基金項目：天津市自然科學基金資助項目（05YFJMJC13000）

邱菊生（1985—），男，碩士研究生.

鐘智麗（1962—），女，教授，博士，碩士生導師.E-mail：zhong_zhili@yahoo.com.cn