韓永良,高 風(fēng),劉麗妍

(1.天津漢晴環(huán)?？萍加邢薰?天津,300402;2.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院,天津,300387)

隨著現(xiàn)代紡織技術(shù)的應(yīng)用,黃麻纖維應(yīng)用領(lǐng)域不斷被拓展,由于其具有更優(yōu)良的抑菌、防霉, 抗紫外線、易降解等生態(tài)環(huán)保特性,成為21世紀(jì)最具可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保材料之一。黃麻纖維增強復(fù)合材料由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能及資源豐富、成本低廉的優(yōu)勢,逐漸替代了木材及傳統(tǒng)復(fù)合材料,應(yīng)用前景十分廣闊[1-2]。但黃麻屬植物纖維,其制品易燃,容易引發(fā)火災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計,每年發(fā)生的火災(zāi)中50%是由紡織品的易燃性引起的,所以室內(nèi)紡織品及家具的阻燃要求越來越受到人們的重視。因此,對黃麻織物及其產(chǎn)品進行阻燃處理以減少火災(zāi)的發(fā)生十分必要。近年來, 歐、美等國家的一些制造商已研制出不同樹脂體系的輕質(zhì)、高韌和阻燃性具佳的改性環(huán)氧樹脂基體以及采用多類纖維作為增強材料制備的系列化預(yù)浸料產(chǎn)品, 并已廣泛應(yīng)用于大型飛機、直升飛機等機體艙內(nèi)部件的制造。國內(nèi)目前對環(huán)氧樹脂阻燃、增韌改性的研究較多,但在天然黃麻類纖維復(fù)合材料的阻燃性能研究相對較少[3]。環(huán)氧樹脂是典型的高性能熱固性樹脂,具有優(yōu)良的熱性能和尺寸穩(wěn)定性、良好的力學(xué)性能、粘接性和加工性,廣泛用于機械、電子、航空航天、涂料等領(lǐng)域[4-5]。聚氨酯作為一種新興的有機高分子材料,被譽為“第五大塑料”,因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域[6-7]。本文選用黃麻平紋機織布作為增強體,分別以環(huán)氧樹脂和PU聚氨酯作為基體,制備黃麻/環(huán)氧樹脂、黃麻/PU聚氨酯增強復(fù)合材料薄板,通過加入不同含量的阻燃劑,對材料的阻燃性能進行測試分析,同時探討阻燃劑對材料拉伸及彎曲性能的影響,為后續(xù)該類產(chǎn)品在家居裝飾、家具及汽車內(nèi)飾等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 復(fù)合板材的阻燃處理及制備

1.1 原料及儀器設(shè)備

所用黃麻織物為機織平紋布,在天津工業(yè)大學(xué)自主開發(fā)的半自動小樣織機上編織,試樣規(guī)格35cm×35cm,經(jīng)密50根/10cm,緯密54根/10cm,平方米克重279.2g/m2。樹脂材料包括環(huán)氧樹脂、PU聚氨酯、固化劑(天津佳怡科技有限公司)。阻燃劑有FH特1型織物液體阻燃劑及粉末固體阻燃劑(天津市安防阻燃劑有限公司);電子天平HTP-312型(上海化潮電器有限公司);另有2000mL燒杯,剪刀,厚玻璃板和浸泡容器、薄膜紙等。

1.2 黃麻與樹脂的阻燃處理

黃麻織物使用液體阻燃劑浸泡,浸泡時間為2h～4h,浸泡時需要翻轉(zhuǎn)使浸泡完全,取出黃麻織物時,以織物被阻燃劑全部浸濕且不滴落為準(zhǔn),測量浸泡前后液體阻燃劑體積,計算差值,使每塊黃麻織物上附著的阻燃劑液體體積為70mL。結(jié)束后取出放在玻璃板上使其徹底晾干備用。

環(huán)氧樹脂與其固化劑(胺類化合物)[8]比例為2∶1,其中添加粉末阻燃劑,粉末阻燃劑分別占總重量的0%、20%和30%。PU聚氨酯與其固化劑比例為5∶2,其中添加粉末阻燃劑,粉末阻燃劑用量分別為0%、20%、30%和35%。具體制備工藝參數(shù)如表1所示。

表1 黃麻增強復(fù)合材料試樣制備參數(shù)

1.3 黃麻織物增強板材的固化

浸漬過阻燃劑晾干的黃麻平紋機織布樣品平鋪在玻璃板上,二層為一組。將配置好的樹脂均勻刷在第一層、第二層黃麻平紋機織布上。用薄膜紙鋪在未固化的預(yù)制件上,去除殘留空氣,將玻璃板及10kg重物平放于薄膜紙上,施予壓力,進行固化。經(jīng)過24小時后,黃麻增強復(fù)合薄型板材固化成型。

2 性能測試

2.1 黃麻織物增強復(fù)合板材試樣的極限氧指數(shù)(LOI)測試

黃麻織物增強復(fù)合板材試樣的極限氧指數(shù)根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8924-2005代替GB/T8924-1988:纖維增強塑料燃燒性能試驗方法氧指數(shù)法》進行測試。燃燒試樣長100mm,寬50mm。每組樣品測試5塊燃燒試樣取平均值。實驗用臨界指數(shù)儀如圖1所示。測試時,首先將試樣垂直安裝在燃燒筒的中心位置,保證試樣頂端低于燃燒筒頂端。打開氮氣和氧氣,分別調(diào)節(jié)好各自的壓力,然后調(diào)節(jié)氧氣濃度,當(dāng)達到試驗初始估計值時,打火機點燃引火源,用引火源點燃試樣,當(dāng)試樣在燃燒筒中燃燒40mm剛好熄滅時,此時的氧濃度即為該試樣的極限氧濃度[9-10],氧指數(shù)測試后試樣如圖2所示。樣品1、樣品4在空氣中點燃后迅速燃燒,其初始氧濃度為18%左右;樣品2、樣品3、樣品5、樣品6和樣品7在空氣中都不燃燒,其初始氧濃度為25%左右。隨后每種樣品在儀器中進一步燃燒測定其極限氧指數(shù)。

圖1 臨界氧指數(shù)儀

圖2 氧指數(shù)測試后試樣

2.2 黃麻織物增強復(fù)合板材拉伸測試

黃麻織物增強復(fù)合板材拉伸性能測試依據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-83代替GB/T 1447-78:玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》,在INSTRON萬能強力機(3369型,美國英斯特朗公司)上進行,夾距170mm,加載速度2mm/min[11]。試樣兩端夾在夾頭上,夾緊后,依次開始拉伸,待試樣拉斷后,記錄數(shù)據(jù)。

2.3 黃麻織物增強復(fù)合材料的彎曲測試

根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449-83代替GB/T 1449-78:玻璃纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行試樣的彎曲性能測試,所用測試儀器為INSTRON萬能強力機(3369型,美國英斯特朗公司),調(diào)節(jié)跨距及加載上壓頭位置。黃麻/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料樣品1、2、3進行了彎曲性能測試。由于黃麻/PU復(fù)合材料樣品4至樣品7較薄且柔韌,未作此測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃麻織物增強復(fù)合材料試樣的阻燃性能分析

表2為黃麻織物增強復(fù)合板材的極限氧指數(shù)測試結(jié)果。由表2可以看出,試樣1和4為未經(jīng)阻燃處理的黃麻織物/環(huán)氧樹脂和黃麻織物/PU復(fù)合材料板材,其極限氧指數(shù)分別是19.8%和20%,在空氣中均劇烈燃燒。對環(huán)氧樹脂來說,樣品1和樣品2相比較,由于阻燃劑粉末的添加及阻燃劑浸泡后的黃麻織物增強復(fù)合板材阻燃性能大大提高,樣品2極限氧指數(shù)為31,實現(xiàn)阻燃要求(極限氧指數(shù)≥26)。隨著阻燃劑的繼續(xù)增加,樣品3的極限氧指數(shù)繼續(xù)增加,但幅度不大。對PU聚氨酯樹脂來說,黃麻織物浸泡液體阻燃劑的時間分別為0、2、3、4小時,粉末阻燃劑添加比例分別為0、20%、30%和35%,隨著浸泡時間以及粉末阻燃劑比例的增加,樣品阻燃效果呈現(xiàn)上升趨勢。兩種樹脂綜合比較,樣品3和樣品6在粉末阻燃劑含量相同的情況下,液體阻燃劑浸泡樣品的時間分別為2小時和3小時,延長浸泡時間對阻燃效果影響較小。實驗證明,液體阻燃劑浸泡2h可以把樣品浸透。樣品2和樣品5在粉末劑含量與浸泡時間相同的情況下,環(huán)氧樹脂與阻燃劑結(jié)合后的復(fù)合板材阻燃效果更好。

表2 黃麻增強復(fù)合板材極限氧指數(shù)

3.2 黃麻織物增強復(fù)合材料試樣的拉伸性能分析

圖3為黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復(fù)合板材的拉伸性能測試曲線。由圖3可以看出,樣品1的拉伸應(yīng)力最大,拉伸應(yīng)變最小,拉伸力學(xué)性能最好。隨著阻燃劑含量的增加,阻燃劑易在基體中積聚等因素而造成缺陷的概率增加,導(dǎo)致拉伸應(yīng)變下降,使得復(fù)合板材的拉伸性能逐漸降低[12-13]。圖4為黃麻織物增強PU復(fù)合板材的拉伸性能曲線。從圖4可以看出,隨著阻燃劑比例的提高,在比例為0、20%、30%時,復(fù)合板材的拉伸應(yīng)力峰值變化不明顯,但拉伸應(yīng)力峰值對應(yīng)的應(yīng)變逐漸增加,當(dāng)阻燃劑比例達到35%時,復(fù)合板材的拉伸應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低。總體來說,隨著加入阻燃劑的含量增加,復(fù)合板材的拉伸力學(xué)性能同樣呈現(xiàn)降低趨勢[14]。綜合比較,在粉末阻燃劑用量比例為20%時,兩種黃麻織物增強樹脂復(fù)合板材的阻燃及拉伸性能較好。

圖3 樣品1、2、3的拉伸測試曲線

圖4 樣品4、5、6、7拉伸性能測試曲線

3.3 黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復(fù)合板材的彎曲性能分析

圖5為黃麻織物增強環(huán)氧樹脂復(fù)合板材的彎曲性能測試曲線。由于黃麻織物層合數(shù)量為2層,屬薄型復(fù)合板材,適合作為家具類物品表層材料,本身彎曲性能要求相對不高。由圖5可以看出,隨著粉末阻燃劑的增加,彎曲應(yīng)力亦呈現(xiàn)下降趨勢。由于層合板材較薄,樹脂中添加粉末阻燃劑后,一定程度上影響了黃麻織物與樹脂的結(jié)合,復(fù)合板材性質(zhì)趨向于可彎曲柔性板材,彎曲力學(xué)性能有所減弱[15]。在阻燃劑比例為20%時,彎曲應(yīng)力最高達42.35MPa,滿足一般力學(xué)性能要求。

圖5 樣品1、2、3的彎曲測試曲線

3.4 黃麻增強復(fù)合材料板材拉伸斷口形貌分析

樣品拉伸斷面SEM斷口形貌使用TM-1000臺式掃描電鏡觀察和分析,圖6為未經(jīng)阻燃處理的黃麻織物增強環(huán)氧樹脂的拉伸斷口形貌。從圖6可以看出,環(huán)氧樹脂與黃麻纖維結(jié)合較好,樹脂大部分填充于織物紗線縫隙之中,黃麻纖維在拉力作用下有斷裂的痕跡,說明黃麻纖維能夠起到分擔(dān)載荷的作用。圖7為經(jīng)阻燃處理的樣品3拉伸斷口形貌。從圖7可以看出,環(huán)氧樹脂添加阻燃劑后,阻燃劑與樹脂混合較為均勻,但還需進一步提高。阻燃劑及樹脂與黃麻纖維結(jié)合較為牢固,纖維在受力作用下出現(xiàn)斷裂。

圖6 樣品1試樣的拉伸斷面SEM照片

圖7 樣品3試樣的拉伸斷面SEM照片

4 結(jié)語

黃麻平紋織物增強環(huán)氧樹脂及PU聚氨酯樹脂薄型復(fù)合板材,通過對增強織物以及樹脂分別進行阻燃整理,可以很好地達到阻燃要求,但隨著樹脂中阻燃劑用量的增加,力學(xué)性能有所減弱。后續(xù)研究可進一步解決樹脂與阻燃劑之間的混合均勻性及其與黃麻纖維之間的結(jié)合問題。具有阻燃功能的黃麻纖維增強樹脂基復(fù)合材料薄型板材可以作為家居類產(chǎn)品的表層材料,滿足家居產(chǎn)品的防火需求,具有很好的市場前景。