棕櫚纖維聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能

1、棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能研究隨著環(huán)境意識(shí)材料的提出，天然纖維由于具有環(huán)境友好、生物可降解等特性而備受關(guān)注，而天然纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有價(jià)廉、質(zhì)輕等優(yōu)勢(shì)，其研究與開(kāi)發(fā)力度日益加強(qiáng)1。因此，天然纖維復(fù)合材料將在人們的日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。近年來(lái)，相繼從植物中開(kāi)發(fā)了香蕉葉纖維、菠蘿葉纖維、構(gòu)樹(shù)葉纖維和棕櫚纖維等2。香蕉纖維粗短，其可紡性較其他麻類(lèi)纖維差，但易于染色，適于紡中高檔紗；菠蘿葉纖維較柔軟、強(qiáng)度大而伸長(zhǎng)小，其可紡性能和成紗質(zhì)量介于亞麻與黃麻之間；構(gòu)樹(shù)葉纖維光澤柔和、顏色潔白、有絲質(zhì)外觀，且吸濕性好，該纖維制成的織物將會(huì)有較好的穿著舒適性，其物理性能均表明該纖維具有較

2、好的可紡性3。棕櫚葉纖維強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)率較大，約是劍麻纖維和菠蘿葉纖維的46倍，初始模量與菠蘿葉纖維接近3。棕片纖維剛度、強(qiáng)度、柔韌性適中，是一種較理想的骨架材料4。主要可用作墊材（如床墊材料、座靠墊材料）、緩沖材料、包裝材料、過(guò)濾材料等5。棕樹(shù)是熱帶、亞熱帶作物，在我國(guó)的南方，棕樹(shù)到處都有，是一種廉價(jià)的纖維資源。但是，長(zhǎng)期以來(lái)棕櫚用來(lái)制作蓑衣和棕繩，沒(méi)有得到充分利用。目前已對(duì)棕櫚纖維的理化性能有了初步研究6。棕櫚纖維不受化學(xué)腐蝕作用的影響，并能在廣泛的溫度范圍內(nèi)抵抗不同強(qiáng)度的酸、堿及其類(lèi)似物質(zhì)的腐蝕作用。單根棕纖維是由許多棕纖維細(xì)胞緊密排列而成的，雜細(xì)胞極少，纖維細(xì)胞之間結(jié)合非常緊密，故在

3、宏觀上表現(xiàn)出整體性，不易分解或拉斷。棕纖維細(xì)胞的寬度一般為十幾微米，長(zhǎng)度從幾百微米到幾千微米不等，壁腔比約為0.5，韌性良好，故棕纖維在宏觀上也具有極好的彈性及韌性，甚至彎曲180°也不會(huì)折斷。本文利用棕櫚纖維優(yōu)良的力學(xué)性能，將其作為增強(qiáng)材料添加到聚丙烯基體中制備成復(fù)合材料，并對(duì)其相關(guān)參數(shù)影響棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行研究。1 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備1.1實(shí)驗(yàn)原料棕櫚纖維（國(guó)產(chǎn)山棕棕片纖維）；聚丙烯（上海滋利工貿(mào)有限公司）。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備電子天平：EA2004A上海精天電子儀器有限公司；平板硫化機(jī)：XLB-400X400X2上海齊才液壓機(jī)械有限公司；微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：WDW-

4、20上海華龍測(cè)試儀器公司。2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為考察硫化機(jī)熱壓工藝參數(shù)（包括熱壓時(shí)間、溫度、壓強(qiáng)）對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，選擇拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)、彈性模量作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)，熱壓時(shí)間、溫度、壓強(qiáng)作為因素，每個(gè)因素考查三個(gè)水平，進(jìn)行三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。選用的正交表為L(zhǎng)9(34),該表表明最多可安排4個(gè)因素，只要安排9次實(shí)驗(yàn)即可。各因素及其水平設(shè)計(jì)如表1所示。表1 因素及水平分配表 水平因素1 2 3 A時(shí)間(min) 4710 B溫度()150 155 160 C壓強(qiáng)(mpa) 1 1.5 2 將山棕棕片用清水洗凈，常溫晾干后從中抽取出單根棕纖維，呈0°平行等距排列于兩層聚丙烯薄膜之

5、間，單層聚丙烯薄膜密度為0.93g/cm2，纖維在預(yù)制件中的含量為6%。根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)條件，采用模壓工藝將預(yù)制件放在平板硫化機(jī)上熱壓成型，模具為平板敞開(kāi)式。熱壓結(jié)束后將壓片從硫化機(jī)中取出，在室溫下自然冷卻固化后，裁成140mm×20mm×1mm的拉伸試樣。用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣夾持的夾距為40mm，拉伸速度為5mm/min。表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果試樣ABC拉伸強(qiáng)度（N/mm2）斷裂伸長(zhǎng)（%）彈性模量（Mpa）14150115.522.01542.5241551.527.634.43895.334160224.531.53536.0471501.524.128.6

6、3250.157155220.827.02776.467160123.327.33198.4710150218.023.21880.6810155122.227.13016.09101601.528.832.04020.53 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 制備工藝參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響對(duì)表2的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。其中K1、K2、K3分別為各因素各水平對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度值之和，k1、k2、k3分別為某一因素下各水平對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度平均值。3個(gè)因素對(duì)應(yīng)的極差分別為0.6、6.3、6.5。第二列和第三列極差相對(duì)較大，即因素B和因素C對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度顯著，硫化溫度和壓強(qiáng)分別取160和1.5M

7、pa最好；因素A對(duì)拉伸強(qiáng)度影響最小，結(jié)果顯示時(shí)間取10min最好，但三個(gè)時(shí)間參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度影響幾乎一樣。這也可以從圖1所反映的因素趨勢(shì)中明顯看出來(lái)。各因子主次順序依次為C、B、A。優(yōu)化方案為C2B3A3,即壓強(qiáng)為1.5Mpa，溫度為160，時(shí)間為10min。該方案與9號(hào)試驗(yàn)相吻合，試樣9的拉伸強(qiáng)度為最高。 熱處理對(duì)聚丙烯力學(xué)性能變化與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化關(guān)系密切，溫度較高時(shí)聚丙烯充分熔融，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度發(fā)生了變化，同時(shí)浸漬棕櫚纖維增強(qiáng)體，在適當(dāng)壓力下冷卻形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、結(jié)晶度增大的材料。因此，當(dāng)負(fù)荷加載于材料沿纖維排列的方向上時(shí)，由于棕櫚纖維與基體緊密接觸能夠承擔(dān)基體內(nèi)的應(yīng)力，且基體結(jié)晶度增大，

8、強(qiáng)度增大，使得材料的拉伸強(qiáng)度得到提高。表3 拉伸強(qiáng)度極差分析ABCK167.357.661.0K268.270.680.5K369.076.663.3k1=K1/322.419.220.3k2=K2/322.723.526.8k3=K3/323.025.521.1極差0.66.36.5優(yōu)化方案A3B3C2圖1 拉伸強(qiáng)度因素趨勢(shì)3.2制備工藝參數(shù)對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響試樣的拉伸強(qiáng)度僅反映的是其抵抗外界應(yīng)力的能力，斷裂伸長(zhǎng)則體現(xiàn)了材料的韌性。因此，對(duì)強(qiáng)度有利的實(shí)驗(yàn)方案并不一定能使材料獲得良好的韌性，需要對(duì)復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)進(jìn)行極差分析。結(jié)果見(jiàn)表4，各因素主次順序依次為C、B、A，優(yōu)化方案為C2B3A1，

9、除了因素A(時(shí)間)取4min與拉伸強(qiáng)度優(yōu)化方案中A取10min不一致外，其他兩個(gè)因素所取水平值都一樣。這是因?yàn)殡S著熱壓時(shí)間延長(zhǎng)，聚丙烯基體能夠充分熔融，流動(dòng)浸漬棕櫚纖維增強(qiáng)體，增加了纖維與基體界面緊密粘合的機(jī)會(huì)，且聚丙烯結(jié)晶度增加并趨于穩(wěn)定，但過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間會(huì)使聚丙烯沖擊強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率下降7。由于優(yōu)化方案C2B3A1沒(méi)有出現(xiàn)在9個(gè)試樣中，再對(duì)因素趨勢(shì)進(jìn)行直觀分析，如圖1所示。從因素變化的趨勢(shì)表現(xiàn)來(lái)看，當(dāng)熱壓時(shí)間取10min時(shí)試樣的斷裂伸長(zhǎng)率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，且效果較好，斷裂伸長(zhǎng)率為32 %。因此試樣9與這個(gè)優(yōu)化方案最接近，為C2B3A3，與拉伸強(qiáng)度的最優(yōu)處理相吻合。表4 斷裂伸長(zhǎng)率極差分析ABC

10、K187.973.876.4K282.988.595K382.390.881.7k1=K1/329.324.625.5k2=K2/327.629.531.7k3=K3/327.430.327.2極差1.95.76.2優(yōu)化方案A1B3C2圖2 斷裂伸長(zhǎng)率因素趨勢(shì)3.3制備工藝參數(shù)對(duì)彈性模量的影響下面從彈性模量角度分析，進(jìn)一步確定最佳工藝參數(shù)。根據(jù)表5分析圖2的彈性模量因素趨勢(shì)圖可知，對(duì)指標(biāo)影響最大的是因素B(熱壓溫度)，以B3最好，其次是B2；因素C對(duì)指標(biāo)的影響也很顯著，當(dāng)水平為C2時(shí)，模量值獲得了大幅提高；因素A對(duì)指標(biāo)的影響不明顯，在三個(gè)水平下的彈性模量平均值變化不大。這與對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)

11、的分析不一致，熱壓溫度成為影響彈性模量最重要的因素。在預(yù)制件的熱壓固化過(guò)程中，棕櫚纖維并沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，起變化的只是聚丙烯基體，當(dāng)設(shè)定的熱壓溫度較高時(shí)，聚丙烯薄膜熔化速率加快，分子鏈之間的交聯(lián)反應(yīng)增多，分子量增大，在適當(dāng)壓強(qiáng)作用下，能夠形成致密性高，缺陷少的制品并且具備較高的抵抗形變的能力。從極差分析中得出的優(yōu)化方案為C2B3A2，即壓強(qiáng)為1.5Mpa，溫度為160，時(shí)間為7min。該方案沒(méi)有出現(xiàn)在9個(gè)方案中，但試樣9與之最接近，即為C2B3A3，模量在9個(gè)試樣中最高，達(dá)到4020.5Mpa。表5 彈性模量極差分析ABCK18973.86673.27756.9K29224.99687.711

12、165.9K38917.110754.98193.0k1=K1/32991.32224.42585.6k2=K2/33075.03229.23722.0k3=K3/32972.43585.02731.0極差102.61360.61136.4優(yōu)化方案A2B3C2圖3 彈性模量因素趨勢(shì)4 結(jié)論綜合棕櫚纖維/聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)和彈性模量的結(jié)果分析，制備工藝參數(shù)的優(yōu)化方案為C2B3A3,熱壓溫度(因素2)和壓強(qiáng)(因素3)都是對(duì)該復(fù)合材料三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)作用顯著的因素，且根據(jù)相關(guān)圖表分析一致得出，因素B和C分別取160、1.5Mpa對(duì)材料力學(xué)性能效果最好。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，硫化熱壓溫度不宜過(guò)低，壓強(qiáng)不能太高，但是由于熱壓時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響很小，可以考慮稍短點(diǎn)，這對(duì)于生產(chǎn)節(jié)省成本，降低能耗，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。參考文獻(xiàn)1刁均艷,潘志娟.黃麻、苧麻及棕櫚纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與性能J.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2008,28(6):39-43.2劉曉霞,茅琛.棕葉纖維性能研究J.上海紡織科技,2006,34(9):20-21.3劉曉霞,徐慧卿.棕葉纖維強(qiáng)度和染色性能探討J.上海工程科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,21(1):78-