付成龍，王新玲，崔 萍

(1. 成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050)

近年來(lái)，隨著環(huán)保概念的普及以及國(guó)家對(duì)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)的要求，人們把復(fù)合材料的研究思路從玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維等轉(zhuǎn)移到了以價(jià)廉質(zhì)輕、機(jī)械性能高、可回收、可生物降解、可再生等優(yōu)良特性為代表的天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。如今，天然纖維復(fù)合材料已經(jīng)在各行各業(yè)大展身手，如為響應(yīng)汽車輕量化制造的內(nèi)飾材料，家居以及建筑行業(yè)。相關(guān)的專家學(xué)者對(duì)天然纖維復(fù)合材料的性能研究主要集中于織物結(jié)構(gòu)方面，而對(duì)于其短纖維制備的復(fù)合材料板材研究較少[1-7]。鑒于此，本文分別以竹纖維、亞麻纖維、苧麻纖維作為增強(qiáng)材料，以熱塑性樹脂聚丙烯纖維作為基體材料，運(yùn)用三因素三水平的正交設(shè)計(jì)方法，對(duì)不同植物纖維種類、模壓工藝以及保溫時(shí)間對(duì)植物纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行了研究分析，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究者提供相關(guān)資料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

亞麻纖維、苧麻纖維和竹纖維，由蘭州三毛股份有限公司提供；聚丙烯纖維，由甘肅紡織研究所提供。

QLB-25T 350×350×2平板硫化機(jī)，梳理機(jī)(雙錫林雙道夫)，YG026D-500型電子織物強(qiáng)力機(jī)，TP電子天平，架盤稱重天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

分別將竹纖維、苧麻纖維、亞麻纖維與聚丙烯纖維進(jìn)行開松混合均勻后，在梳理機(jī)上將其制成一定厚度的纖維網(wǎng)，按照250mm×200mm的規(guī)格鋪滿8層，每塊纖維網(wǎng)的質(zhì)量約為55g。并在模壓機(jī)上按照要求制備復(fù)合材料平板。

利用正交設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)不同增強(qiáng)纖維種類(A)、不同模壓溫度(B)、不同保溫時(shí)間(C)的實(shí)驗(yàn)方案，即三因素三水平表，見表1。

表1 3因素3水平因子水平表

1.3 性能測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 拉伸性能

實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)合材料試樣的拉伸性能按照GB/T1446-2005和GB/T 1447-2005的方法在YG026D-500型的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為5mm/min，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取5個(gè)試樣的平均值。

1.3.2 頂破試樣的制備

根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究可知[8-10]，試樣進(jìn)行頂破性能測(cè)試時(shí)有兩種測(cè)試防范：圓頭頂破和尖頭頂破。本實(shí)驗(yàn)采用圓頭頂破方式，即將復(fù)合材料板材加工成直徑為60mm的圓形試樣，在YG026D-500型的試驗(yàn)機(jī)上以50mm/min的速率進(jìn)行測(cè)試進(jìn)行，直至試樣發(fā)生破壞，并記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

表2 天然纖維復(fù)合材料試驗(yàn)件的性能測(cè)試結(jié)果

2.1 各因素對(duì)復(fù)合材料板材斷裂強(qiáng)度的影響

表3 復(fù)合材料拉伸性能的極差、優(yōu)方案分析

從表2的正交實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果分析可知，對(duì)于三種植物纖維復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響因素結(jié)果的極差可知，RA=3.24，RB=3.71，RC=0.87，即RB>RA>RC，所以各因素對(duì)復(fù)合材料拉伸斷裂強(qiáng)度的影響從主到次的順序?yàn)椋築(模壓溫度)，A(纖維品種)，C(保溫時(shí)間)。

圖1 各因素對(duì)斷裂強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖

為了直觀反映出在本次實(shí)驗(yàn)中各工藝因子與復(fù)合材料拉伸斷裂強(qiáng)度之間的關(guān)系，依據(jù)表2和表3做出散點(diǎn)圖如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)增強(qiáng)纖維為亞麻纖維，模壓溫度為190℃，保溫時(shí)間為20min時(shí)，復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度最好。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，模壓溫度對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響最大。這是因?yàn)椋簻囟鹊闹饕饔檬谴龠M(jìn)PP的熔融、加速木質(zhì)素的玻璃化以及提高試樣板材中基體與增強(qiáng)體的黏結(jié)。在高溫及長(zhǎng)時(shí)間的保溫作用下可能引起三種植物纖維中纖維素等降解的速率加快，會(huì)對(duì)增強(qiáng)材料的力學(xué)性能造成損失，進(jìn)而影響復(fù)合材料板材的力學(xué)性能下降。

2.2 各因素對(duì)復(fù)合材料板材頂破強(qiáng)度的影響

表4 復(fù)合材料頂破性能的極差、優(yōu)方案分析

從表4的正交實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果分析可知，對(duì)于三種植物纖維復(fù)合材料的頂破斷裂強(qiáng)度的影響因素結(jié)果的極差可知，RA=5.71，RB=9.10，RC=6.08，即RB>RC>RA，所以各因素對(duì)復(fù)合材料頂破強(qiáng)度的影響從主到次的順序?yàn)椋築(模壓溫度)，C(保溫時(shí)間)，A(纖維品種)。

圖2 各工藝因子對(duì)頂破強(qiáng)度影響趨勢(shì)圖

為了直觀反映出在本次實(shí)驗(yàn)中各工藝因子與復(fù)合材料頂破強(qiáng)度之間的關(guān)系，依據(jù)上頁(yè)表2和上頁(yè)表4做出散點(diǎn)圖如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)增強(qiáng)纖維為亞麻纖維，模壓溫度為170℃，保溫時(shí)間為40min時(shí)，復(fù)合材料的頂破強(qiáng)度最好。結(jié)合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，模壓溫度對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)頂破強(qiáng)度的影響最大。這是由于溫度為170℃時(shí)，已經(jīng)超過(guò)了本次實(shí)驗(yàn)聚丙烯的熔點(diǎn)133℃，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其融熔并完成浸漬。熱壓時(shí)間的增加，增強(qiáng)體中的纖維素、木質(zhì)素等脆性會(huì)增加，不利于頂破強(qiáng)度。此外，在頂破強(qiáng)度測(cè)試中，纖維與樹脂基體共同承擔(dān)載荷，由于本次實(shí)驗(yàn)的采用的短纖均勻混合制網(wǎng)，使得三種植物纖維與PP實(shí)現(xiàn)了均勻的混合，所以纖維種類對(duì)試樣的頂破性能的影響最弱。

3 結(jié)論

綜合各實(shí)驗(yàn)因素以及經(jīng)濟(jì)性分析，選擇合適的增強(qiáng)體，可以使聚丙烯基體與增強(qiáng)體相容性提高，有利于復(fù)合材料性能的發(fā)揮。

(1)由極差分析可知，無(wú)論是拉伸性能，還是頂破性能，模壓溫度對(duì)復(fù)合材料的性能的影響最大，纖維的種類和模壓保溫時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響因素較小；此外，纖維種類對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的拉伸性能的影響要大于頂破性能。

(2)由正交實(shí)驗(yàn)中的極差分析和優(yōu)化方案綜合分析可得最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案為A2B2C2，即：模壓保溫時(shí)間為180℃，保溫時(shí)間為40min，增強(qiáng)體為亞麻纖維。