亞麻/聚丙烯復合材料的制備及拉伸、頂破性能

焦亞男，祁小芬，吳 寧，崔 萍

（1.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.蘭州理工大學 機電工程學院，蘭州730050）

亞麻/聚丙烯復合材料的制備及拉伸、頂破性能

焦亞男1，祁小芬1，吳 寧1，崔 萍2

（1.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.蘭州理工大學 機電工程學院，蘭州730050）

以亞麻纖維作為增強纖維，以聚丙烯纖維作為樹脂基體，通過模壓成型工藝方法，制備了綠色環保型亞麻/聚丙烯復合材料，主要研究了纖維長度、模壓溫度及保溫時間對復合材料拉伸性能及頂破性能的影響.結果表明：模壓溫度對復合材料性能的影響最顯著；當纖維長度為5 mm、模壓溫度為180℃、保溫時間為40 min時，復合材料的拉伸性能最優；在纖維長度為5 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為40 min時，復合材料的耐頂破性能最優.

亞麻；聚丙烯；復合材料；模壓成型；拉伸性能；頂破性能

隨著工業化進程加快，生態環境危機及能源危機問題日益嚴重，因此尋找環境親和力好、可循環利用、價格低廉、重量輕的材料已迫在眉睫.聚丙烯纖維相對密度低、熔點低、價格低廉、原料來源廣、電絕緣性好、屈服和拉伸強度高、彈性模量高、耐應力龜裂、耐化學藥品、無毒無味、光澤和透明度好，其制品可重復加工利用，是典型的綠色材料[1].亞麻纖維與玻璃纖維、碳纖維等人造纖維相比，具有密度低、價格低廉、韌性高、可再生、可生物降解、比強度高的特點[2-3]，而如今很多的植物纖維被用于燃料方面，有些甚至直接燒掉，不僅沒有合理開發利用，而且對大量的植物資源造成浪費，使環境受到污染.因此，開發利用天然植物纖維新的應用領域，充分利用它的資源優勢，以達到保護環境、節約能源的目的[4].如今，天然纖維復合材料已廣泛應用于建筑材料、汽車內飾材料以及各種新興產業，如復合門窗框、扶梯、手柄、車內試件、吸噪音板、浴缸和辦公用品、高速公路路牌等.用天然纖維復合材料作地板，不脹縮、防水、表面美觀，比用中密度木質纖維板要優越得多[5].亞麻纖維增強塑料具有很好的抗疲勞性和抗蠕變性能，而且無污染、質量輕、成本低，是近年來研究的熱點之一[6].眾多專家學者對亞麻/聚丙烯復合材料的拉伸性能有不同的研究，但主要集中于對亞麻/聚丙烯針織物、機織物復合材料的性能研究[7-9]，對亞麻/聚丙烯短纖維復合材料的研究局限于軸向拉伸性能，對面內其他方向的拉伸性能研究較少.亞麻/聚丙烯短纖維復合材料具有柔性復合材料的一些特性，它與熱固性或熱塑性樹脂基復合材料相比有較大的變形范圍，在實際應用中不可避免地涉及頂破加載的情況，因此研究亞麻/聚丙烯復合材料的頂破行為對其應用價值具有十分重要的意義.本文以亞麻纖維作為增強體，以熱塑性聚丙烯作為基體，運用三因素三水平正交實驗設計方法設計了不同參數的亞麻/聚丙烯復合材料板材，將預制件經模壓成型復合成板材，討論了亞麻/聚丙烯復合材料板材在面內0°、45°、90°方向的拉伸性能，并且研究了復合材料的頂破性能，討論了纖維長度、模壓溫度、模壓保溫時間對于復合材料拉伸及頂破性能的影響.

1 實驗部分

1.1 主要原料及設備

原料：亞麻纖維，脫膠后的亞麻工藝纖維，蘭州三毛股份有限公司提供；聚丙烯纖維，拉伸強度為3.2 cN/dtex，密度為0.91 g/cm3，甘肅紡織研究所提供.

設備：QLB-T350×350×2型平板硫化機，青島光越橡膠機械制造有限公司產品；電子天平，福州皓豐儀器儀表有限公司產品；YG026D-500型電子織物強力儀，常州紡織電子儀器廠有限公司產品.

1.2 實驗方案

先分別將亞麻纖維與聚丙烯纖維截成長度為5 mm、10 mm、15 mm的短纖維，亞麻/聚丙烯混合比為50/50（崔萍等[10-12]用實驗證明了亞麻纖維與聚丙烯纖維的混合比例為50/50時，復合材料板材性能最優）.在小型梳毛機上均勻混合，梳理成為纖維網.分別將梳理好的不同纖維長度的纖維網按照模具規格：250 mm×200 mm的進行裁剪，裁剪時寬度方向平行于纖維梳理方向，因為梳理好的纖維網比較薄，要進行多層平鋪，直到纖維網重量達55 g.將稱量好的3種長度的纖維網分別準備9塊，共27塊，在平板硫化機上壓制復合材料板材.按照三因素三水平設計正交實驗方案，如表1所示.

聚丙烯纖維的熔融溫度約為170℃，本實驗設計溫度保證聚丙烯纖維能熱熔并能完全流動.壓制時間太短，板材粘結不好，易分層，強度低；壓制時間太長，板材分解變色，板材變硬，性能下降.

表1 三因素三水平正交表Tab.1 Three factors and three levels orthogonal table

1.3 復合材料板材制作

將不同纖維長度的纖維網按照表1控制成型條件，在平板硫化機上分別壓制9種板材，這9種板材每種做相同的3塊，以便3種方向力學性能的測量.

本實驗選用模壓成型工藝，溫度、時間由機器自動控制，壓力不能調節.首先把溫度調到預定溫度，等接近預定溫度時取下模具，在陰模和陽模兩面分別均勻地涂刷脫模劑，將稱好的纖維網放入模具中，然后放入平板硫化機內，按照工藝設計控制成型條件，達到保溫時間后取下模具，常溫下冷卻1 h，可制得復合材料板材.壓制得到的板材厚度約為2 mm，重量略少于55 g.

2 拉伸性能測試

2.1 拉伸試樣制作

本實驗共設計9組對比試驗，把板材的長度方向定為0°方向，寬度方向定位90°方向，斜向為45°方向，其中寬度方向為纖維梳理成網方向.分別將每組試驗的3塊板材按照0°、45°、90°方向裁剪.在拉伸性能測試中為了防止夾頭在夾持位置夾斷纖維，保障試樣盡可能在中部斷裂，試樣如圖1所示，試樣規格參數如表2所示.

圖1 復合材料拉伸試樣Fig.1 Composite tensile specimen

表2 復合材料試樣參數Tab.2 Parameters of test samples

2.2 測試步驟

（1）實驗拉伸標準為GB/T-1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB1040-92《塑料拉伸性能試驗方法》.拉伸實驗在YG026D-500型電子織物強力儀上進行，因為一般的復合材料力學性能測試設備量程較大，而亞麻/聚丙烯復合材料拉伸斷裂強度低，YG026D-500型電子織物強力儀量程小，精度高，測得數據結果相對精確.

（2）先將試樣夾持到機器上，夾持不能過緊，防止試樣拉伸前破壞，也不能過松，防止試樣拉伸時滑脫.設定機器參數：拉伸速率為5 mm/min，鉗距為120 mm.

（3）拉伸試驗結束后記錄數據，每組實驗每個方向測5組，取5組平均值.

2.3 測試結果

板材面內3個方向的拉伸強度測試結果如表3所示.

表3 拉伸性能測試結果Tab.3 Test results of tensile properties

根據表3中的試驗號1～9中3個方向的拉伸斷裂強度值，可以看出2號試驗方案即在纖維長度為5mm、模壓溫度為180℃、保溫時間為40 min時，0°、45°、90°方向的整體拉伸斷裂強度值最大.7號試驗方案即在纖維長度為15 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為60 min時，0°、45°、90°方向的整體拉伸斷裂強度值最小.2號與7號試驗數據結果的差異表現出三因素對復合材料拉伸性能的影響較大.

表4所示為根據表3做出的優化方案分析.

表4中：K1這一行的3個數，分別是因素A、B、C的第一水平所對應的測試指標之和，K2、K3對應因素A、B、C的第二、第三水平所對應的測試指標之和；k1、k2、k3分別為K1、K2、K3的平均數；極差為k1、k2、k3中最大值減最小值[10，12-13].根據極差可以得到模壓溫度對3個方向拉伸性能的影響最大，因為聚丙烯纖維的熔點約為160～175℃，溫度過低，聚丙烯纖維不能完全熔融，對亞麻纖維的粘結作用不好；溫度過高則導致聚丙烯纖維熔融分解，使基體相對減少，對亞麻纖維的粘結力下降.保溫時間與纖維長度對復合材料板材性能也有一定影響，保溫時間太短，基體微熔融，沒有充分流動，造成復合材料板材面內力學性能差異，保溫時間過長，則板材變硬變脆.

表4 復合材料3個方向拉伸性能的極差、優化方案分析Tab.4 Range analysis and optimization program of composite’s tensile properties in three directions

2.4 拉伸性能結果分析

三因素對復合材料3個方向拉伸性能的影響如圖2所示.

由圖2（a）可以得出，隨著纖維長度的增加，復合材料板材0°與90°方向的力學性能降低.在纖維長度為5 mm時，90°方向力學性能最大，而在纖維長度增加為10 mm及15 mm時，45°方向拉伸性能最好.當纖維長度為5 mm時，板材的整體拉伸性能較優.這是因為當纖維長度較短時，聚丙烯與亞麻纖維相對能充分混合均勻，有效減少了當聚丙烯纖維熔融時，未混合均勻的地方因缺少增強體而出現的弱點；當纖維長度較長時，有些纖維被抽拔出來，因而降低了拉伸斷裂強力.

圖2 三因素對復合材料3個方向拉伸性能的影響Fig.2 Influence of three factors on tensile properties of composite materials in three directions

由圖2（b）可以看出，模壓溫度對復合材料的拉伸性能的影響較大，隨著模壓溫度的升高，板材3個方向的拉伸性能均呈現先增大后減小的趨勢.在180℃時最優，這是因為聚丙烯纖維熔融充分，粘接力越強，材料變硬，因此材料拉伸斷裂強力高.而在模壓溫度為170℃時，板材的拉伸性能明顯低于180℃時，這是因為此時聚丙烯纖維未完全熔融，造成基體少，亞麻增強體未被完全粘結.模壓溫度超過180℃，聚丙烯纖維完全熔融，部分分解，板材變脆，造成性能反而下降.

由圖2（c）可以得出，在模壓保溫時間為40 min時，亞麻/聚丙烯復合材料的性能較優.當保溫時間較短時，90°方向性能最好，因為聚丙烯纖維熔融后未充分流動、未充分浸潤亞麻纖維，造成亞麻纖維與聚丙烯的界面結合較差，而亞麻纖維主要沿90°方向即纖維梳理成網方向排列，纖維成為主要受力部分，因此板材拉伸性能從90°到0°依次降低；同理，當模壓保溫時間過長時，聚丙烯部分分解，板材發黃發脆，亞麻纖維與聚丙烯界面結合變差，造成板材性能下降.

3 復合材料板材頂破性能研究

對復合材料頂破性能已有研究，如徐英等[14]分析了2種不同頂破條件下（圓頭頂破和尖頭頂破）經編雙軸向柔性復合材料的力學特性和破壞形式.本實驗采用了圓頭頂伸桿，所用儀器為YG026D-500型電子織物強力儀，試樣裁取成直徑為60 mm的圓形，將試樣固定在規定的夾具內，頂頭以50 mm/min的速度垂直地頂向試樣，直至試樣破裂.與此同時，記錄裝置記錄頂破性能測試結果如表5、表6所示.

表5 復合材料頂破性能測試結果Tab.5 Test results of composite bursting performance

表6 頂破性能的極差、優化方案分析Tab.6 Range analysis and optimization program of composite′s bursting performance

從表5中試驗號1～9的實驗數據可以得到1號試驗方案即纖維長度為5 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為20 min時，復合材料的頂破強度及擴張度最大.3號與9號試驗方案中的頂破強度與擴張度均較小，這是因為溫度太高板材變脆，使得材料頂破強度及擴張度下降.

通過極差分析得到，三因素中溫度因素對頂破強度及擴張度的影響最大.三因素對復合材料頂坡性能的影響如圖3所示.

圖3 三因素對復合材料頂破性能的影響Fig.3 Influence of three factors on bursting performance of composite materials

從圖3可以得出，隨著纖維長度、模壓溫度、保溫時間的不同，復合材料頂破強度差異較大，擴張度差異較小.

由圖3（a）可知，纖維長度對于復合材料擴張度的影響不明顯，在纖維長度為5 mm時，復合材料的頂破強度最大，這是因為當纖維長度較短時，聚丙烯纖維與亞麻纖維相對能充分混合均勻，亞麻纖維與聚丙烯粘結較好，耐頂破性能加強.

由圖3（b）可知，當模壓溫度為170℃時，頂破強度及擴張度最大，因為溫度較低時，板材中聚丙烯纖維部分熔融，未充分粘結亞麻纖維，形成的板材較軟，耐頂破性能好；溫度過高，聚丙烯纖維充分熔融粘結亞麻纖維，形成的板材發硬發脆，對外力的緩沖作用減弱，板材變形較小，耐頂破性能變差.

由圖3（c）可知，頂破強度隨著保溫時間的延長先減小后增大，因為保溫時間較短，聚丙烯未完全流動，板材較軟，對外力的緩沖作用強，頂破強度高；保溫時間較長，部分聚丙烯分解，造成亞麻纖維多聚丙烯少，亞麻纖維間的粘結較弱，對外力的緩沖作用較強，頂破強度增加.

4 結論

本文主要研究了亞麻/聚丙烯復合材料的拉伸性能及頂破性能，通過對實驗數據及相關曲線的分析得出了以下結論：

（1）通過三因素對力學性能影響的分析，得出模壓溫度對拉伸性能影響最大，在模壓溫度為180℃時板材中的聚丙烯纖維熔融充分，板材性能最優.溫度較低時，聚丙烯纖維未完全熔融，亞麻纖維與聚丙烯界面結合較差，形成的復合材料板材過軟；模壓溫度過高時，聚丙烯部分分解，復合材料板材過硬，脆性增加.

（2）通過對0°、45°、90°這3個方向拉伸性能的對比分析，得出隨著纖維長度的增加，復合材料板材的力學性能降低，當纖維長度為5 mm、模壓溫度為180℃時，復合材料板材的拉伸斷裂強度最大.在保溫時間為40 min時，3個方向的拉伸性能較優.

（3）通過對復合材料頂破性能分析，并根據實驗數據及極差分析得出，在纖維長度為5 mm、模壓溫度為170℃、保溫時間為40 min時，板材較柔軟，對外力的緩沖作用強，耐頂破性能好.

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Preparation，tensile and bursting performance of flax/polypropylene composites

JIAO Ya-nan1，QI Xiao-fen1，WU Ning1，CUI Ping2
（1.Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Mechanical and Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Eco-environment flax/polypropylene thermoplastic composite are prepared by compression molding process,in which the flax fibers as reinforcement and the matrix phases are come from polypropylene(PP）fibers.The effects of fiber length,molded temperature and holding time on the tensile and bursting performance of the composites are investigated.The results show that the molding temperature was the main factor to influence composite properties. The optimal tensile property of the flax/polypropylene composite is obtained in the parameters of fiber length 5 mm,molding temperature 180℃and holding time 40 min.The bursting performance of the polypropylene/flax composites is come to the peak value when mentioned above parameters are 5 mm,170℃and 40 min.

flax；polypropylene；composites；molding process；tensile properties；bursting properties

TB332；TS102.65

B

1671-024X（2014）05-0008-06

2014-05-08

國家自然基金青年基金項目（11102133）

焦亞男（1971—），女，研究員，碩士生導師.E-mail：jiaoyn@tjpu.edu.cn