宛 東，郝加杰，楊發(fā)超

（1.柳州鐵道職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545616；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；3.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

安全和環(huán)保是汽車技術的重要發(fā)展方向，輕量化是實現(xiàn)汽車安全和環(huán)保的重要手段[1-3]。作為輕質材料，塑料及其復合材料在汽車內飾零部件上得到了廣泛應用[4-5]。改性聚丙烯（PP）因密度低、價格低、加工性能好等優(yōu)點，成為汽車內飾塑料零部件（如儀表板本體、門飾板、立柱飾板等）中使用最多的材料[6-7]。為滿足內飾零部件的力學、成型和使用性能等要求，改性PP中通常會添加增韌劑、增強劑和各類助劑[8]。但各種填料尤其是增強填料（如滑石粉、碳酸鈣等無機物）的添加，使得材料的密度有所增大，不利于輕量化。同時受到聚合物自身和填料的影響，傳統(tǒng)改性PP存在的氣味性較差、揮發(fā)性有機化合物（VOC）較多等問題逐漸顯現(xiàn)出來，因此開發(fā)低密度、環(huán)保、氣味性好的汽車內飾新材料，具有較好的工業(yè)應用價值。

植物纖維復合材料是秸稈、麻、木材、竹子等植物纖維與聚烯烴塑料共混改性后，擠出制成的一種材料，具有成本低、力學性能好、氣味性好等優(yōu)點，在飛機、高鐵、汽車內飾零件上具有廣泛的應用前景[9-10]。Takagi等人[11]的研究表明，蕉麻纖維的含量為29%~72%時，復合材料的拉伸強度呈近乎線性增加，最大值可達到200MPa。Feng等人[12]將劍麻纖維（SFs）、甘蔗渣纖維（SEBFs）與聚丁二酸丁二酯（PBS）復合材料混合在一起，研究結果表明，纖維含量相對較低時，纖維可以均勻地分散在樹脂基質中。Liang等人[13]研究了洋麻纖維（KF）含量對KF/PBS復合材料的力學性能和結晶行為的影響，結果顯示，KF添加量為30%時，KF/PBS復合材料的拉伸模量提高了53%。Deng等人[14]研究了偶聯(lián)劑種類對KF/PP復合材料機械性能的影響，馬來酸聚丙烯（MAPP）可有效改善復合材料的機械性能。張建、朱碧華等人[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈纖維與PVC樹脂之間的結合較好，內部缺陷較少，因此秸稈纖維復合材料具有較佳的力學性能。周松等人[17]的研究表明，BF/PP復合材料抗沖擊強度的增幅高于純PP。

但植物纖維的界面特性復雜，其主要成分纖維素、半纖維素和木質素中，含有大量的極性羥基和酚羥基官能團，化學極性強，吸水性強[18]，使得植物纖維復合材料注塑產品的收縮率高，成型精度較差。添加無機填料可有效改善復合材料的產品成型收縮率，但同時也增加了材料密度。采用微孔發(fā)泡工藝制得的注塑制品，內部具有致密均勻的微孔，密度低，強度韌性較好，目前已得到廣泛應用[19]。其中的化學發(fā)泡工藝是在聚合物中加入化學發(fā)泡劑，發(fā)泡劑在高溫樹脂混合熔體的作用下，分解產生氣體并融入熔體中，當熔體進入模腔時，由于壓力降低，氣體從熔體中逸出而在制品中形成微孔[20]。李春艷等人[21]研究了材料組分對PP發(fā)泡材料性能的影響，結果表明，含量適當的改性組分可以提高泡孔成核率，促進發(fā)泡。王濱等人的研究表明，發(fā)泡劑含量增加時，微發(fā)泡復合材料的密度降低，泡孔結構變差，制品表面會產生缺陷。Bledzki等人[22]研究了植物纖維含量對微發(fā)泡復合材料的力學性能和微觀結構的影響，指出放熱型發(fā)泡劑可以改善泡孔的微觀結構，提高復合材料的力學性能。Tugiman等人[23]制備了PP/稻草微發(fā)泡復合材料，研究結果表明，稻草含量為20%時，泡孔結構較好。夏星蘭[24]研究了材料組分對秸稈纖維/PVC微發(fā)泡復合材料的力學性能的影響。研究結果表明，秸稈纖維與 PVC的配比為 3∶7時，復合材料的力學性能最佳。Babaei等人[25]研究了納米黏土（NC）含量對HDPE/麥草粉（WSF）復合材料性能的影響。結果表明，NC可以減小泡孔尺寸，增大泡孔密度；隨著NC的含量增加，拉伸強度先升高后降低，彎曲強度則逐漸降低。Lee等人[26]以木纖維和高密度聚乙烯為原料，研究了NC含量對木纖維/HDPE微孔發(fā)泡材料的泡孔尺寸和分布的影響。結果表明，NC在復合材料內部充當了異相成核劑，含量適合的NC可使泡孔尺寸減小，分布均勻性較好。

綜上所述，改性PP材料的成本低，力學性能好；秸稈纖維的成本低且環(huán)保，秸稈植物纖維復合材料的氣味性好，VOC含量低；微孔發(fā)泡材料的密度低，耐沖擊性能好。為此本文以秸稈纖維/滑石粉/PP微孔發(fā)泡復合材料為研究對象，基于正交實驗方法，研究各組分對復合材料力學性能的影響，并得出復合材料體系的優(yōu)化配方。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚丙烯PP(牌號K7726H)，秸稈纖維/PP母粒(50% PP，0.178mm)，偶氮二甲酰胺（AC，A80），滑石粉（Talc，0.15mm）。

1.2 實驗儀器與設備

101A-1型干燥箱，SHR-10型混料機，SHJ-20型雙螺桿擠出機，CMT6104型電子萬能實驗機，GDHSX-010A型可編程式恒溫恒濕試驗箱，XJUD-5.5型懸臂梁沖擊強度實驗機，JSM-IT300型掃描電子顯微鏡，HDX50型單螺桿注塑機。

1.3 實驗過程

按不同的質量配比，將實驗原材料在85℃下干燥2h，再高速混合5min后，在雙螺桿擠出機中擠出造粒。擠出機的工藝條件：機頭溫度185℃，Ⅰ區(qū)溫度 190℃，Ⅱ區(qū)溫度 195℃，Ⅲ區(qū)溫度 195℃，Ⅳ區(qū)溫度 195℃，喂料機轉速 5r?min-1，主機轉速5.5r?min-1。

造粒后的復合材料置于恒溫干燥箱中烘干2h后，按一定配比與AC發(fā)泡劑在混料機中混合5min，然后在注塑機中進行閉模微發(fā)泡注塑成型，制備測試所需的標準樣條。

材料的力學性能分別按GB/T 1040?2006、 GB/T 341?2008、GB/T 2843?2008 的規(guī)定進行測試。

1.4 正交實驗設計

以滑石粉、秸稈纖維、發(fā)泡劑的質量含量及注塑溫度為正交實驗的實驗因素，設計4因素4水平正交實驗表如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表

2 結果與討論

2.1 正交實驗結果

根據正交實驗因素水平表確定的實驗方案，按照相同的實驗過程，完成16組試樣的制備及性能測試，得到的正交實驗數據如表2所示。對正交實驗的原始數據進行處理，求得相應的K、k及R值。其中K值和k值反映了該因素對這項性能指標的影響趨勢，R值則反映了該因素對這項性能指標的影響程度，R值越大則該因素對這項性能指標的影響程度越大[27]。

表2 正交實驗數據

對正交實驗結果分析后可知，各因素對拉伸強度的影響順序為：發(fā)泡劑含量＞滑石粉含量＞注塑溫度＞秸稈纖維含量。根據不同內飾零件的性能要求，以拉伸強度為優(yōu)選指標時，最優(yōu)配方為A4B2C4D1。各因素對彎曲強度的影響順序為：滑石粉含量＞秸稈纖維含量＞發(fā)泡劑含量＞注塑溫度，以彎曲強度為優(yōu)選指標時，最優(yōu)配方為A3B3C2D1。各因素對沖擊強度的影響順序為：注塑溫度＞滑石粉含量＞發(fā)泡劑含量＞秸稈纖維含量，以沖擊強度為優(yōu)選指標時，最優(yōu)配方為A4B2C3D1。

2.2 滑石粉含量對力學性能的影響

基于影響曲線的分析方法，做出各因素對拉伸強度、彎曲強度、沖劑強度的影響曲線如圖1所示。由圖1可知，滑石粉含量與復合發(fā)泡材料的各項力學性能指標呈正相關的關系，即隨著滑石粉的含量增加，復合材料的力學性能總體上也在提高。

圖1 力學性能指標的影響曲線圖

圖2是滑石粉質量分數分別為0%和10%的PP復合材料的斷面SEM圖。由圖2可知，未添加滑石粉的PP發(fā)泡材料，其斷面上的泡孔孔徑較大，泡孔形狀不規(guī)則，泡孔密度較小。含有10%滑石粉的PP復合材料，其泡孔密度較大，說明滑石粉起到了成核作用，在PP基體中均勻分散的滑石粉成核劑周圍，形成了孔徑較小、分布均勻的微孔，從而提升了材料的力學性能。

圖2 PP/Talc復合材料的微觀分析圖

2.3 秸稈纖維含量對力學性能的影響

由圖1可知，隨著秸稈纖維的添加量增大，材料的各項力學性能指標呈現(xiàn)出先增大后減弱的趨勢，拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度均在B2、B3（分別對應秸稈纖維質量分數中的5%、10%）時達到最大值。圖3是秸稈纖維質量分數分別為0%和10%的PP復合材料的斷面SEM圖。由圖3可知，加入秸稈纖維后，復合材料的泡孔分布均勻，密度較大，泡孔孔徑較小，表明秸稈纖維對復合材料的發(fā)泡具有促進作用。但泡孔并非只存在于秸稈周圍，說明秸稈纖維對于泡孔形核有一定的作用，但并非完全是形核作用。另外，秸稈纖維的分布并不均勻，因此秸稈纖維含量過大可能會導致秸稈纖維團聚，造成力學性能下降。

圖3 PP/秸稈纖維復合材料的微觀分析圖

2.4 發(fā)泡劑含量對泡孔結構的影響

由圖1可知，隨著AC的質量分數增加，復合材料的拉伸強度和沖擊強度總體上呈增長的態(tài)勢，拉伸強度在C4（對應發(fā)泡劑AC質量分數為6%）時達到最大值19.9MPa，沖擊強度在C3（對應發(fā)泡劑AC質量分數為4%）時達到最大值10MPa。彎曲強度的變化趨勢則有所不同，隨著發(fā)泡劑AC的質量分數增加，復合材料的彎曲強度總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，其最大彎曲強度出現(xiàn)在C2（對應發(fā)泡劑AC質量分數為2%）時，為28MPa。

圖4為不同AC含量下復合材料試樣的斷面SEM圖。由圖4可知，AC的質量分數為2%時，材料的泡孔孔徑較大，分布不均勻，泡孔密度較小，泡孔形狀以橢圓形為主；AC的質量分數為4%時，泡孔的孔徑尺寸減小，泡孔分布比AC含量為2%時更加均勻，泡孔密度增大；AC質量分數為6%時，泡孔的孔徑尺寸最小，泡孔密度大，泡孔分布十分均勻，泡孔形狀十分規(guī)則，以圓形泡孔為主。發(fā)泡劑AC的使用量增多，泡孔隨之增加，相鄰泡孔之間存在相互作用，限制了各自泡孔孔徑的擴張，因此復合發(fā)泡材料的泡孔孔徑很小，分布密集，發(fā)泡效果很好。當復合發(fā)泡材料受到外界拉伸或沖擊作用時，材料內部存在的泡孔結構可以有效地鈍化材料產生的裂紋和缺口，泡孔的存在可以在很大程度上延緩裂紋和缺口向材料中心區(qū)域進一步發(fā)展的趨勢[28]。但隨著泡孔增多，泡孔壁變薄，材料的剛性下降，彎曲強度下降。

圖4 PP/Talc/秸稈纖維復合材料的微觀分析圖

2.5 注塑溫度對泡孔結構的影響

由圖1可知，隨著注塑溫度升高，拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度都呈現(xiàn)下降的趨勢，各項性能都在實驗方案設定的最低注塑溫度180℃下達到最高值，分別為 18.8MPa、26.6MPa、11.5MPa。圖 5 為不同的注塑溫度下復合材料的拉伸試樣，由圖5可知，隨著注塑溫度升高，試樣的表面顏色逐步加深，注塑溫度為240℃時，試樣表面已出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。原因是秸稈纖維的耐溫性比較差，注塑溫度較高時，秸稈纖維在注塑機螺桿內熔融時已出現(xiàn)部分焦化情況，從而影響了秸稈纖維與樹脂基體的結合，導致注塑出來的樣品的力學性能較差。

圖5 不同注塑溫度下的試樣對比

3 結論

本文采用正交實驗，研究了材料的組分對汽車內飾用微孔PP/秸稈纖維/Talc復合材料性能的影響規(guī)律，并確定了以不同的力學性能指標為目標的優(yōu)化配方組合，得出了以下結論：

1）各因素對拉伸強度的影響順序為：發(fā)泡劑含量＞滑石粉含量＞注塑溫度＞秸稈纖維含量，以拉伸強度為優(yōu)選指標時，最優(yōu)配方為A4B2C4D1。對彎曲強度的影響順序為：滑石粉含量＞秸稈纖維含量＞發(fā)泡劑含量＞注塑溫度，以彎曲強度為優(yōu)選指標時，最優(yōu)配方為A3B3C2D1。對沖擊強度的影響順序為：注塑溫度＞滑石粉含量＞發(fā)泡劑含量＞秸稈纖維含量，以沖擊強度為優(yōu)選指標時，最優(yōu)配方為A4B2C3D1。

2）在復合材料的配方體系中，隨著滑石粉的含量增多，復合材料的力學性能總體上也在提高。滑石粉起到了成核作用，使得微孔復合材料的泡孔增多且分布均勻。

3）在復合材料的配方體系中，隨著秸稈纖維的添加量增大，各項力學性能先增加后降低。秸稈纖維對復合材料的發(fā)泡具有促進作用，但并非完全是形核作用。

4）隨著AC的質量分數增加，復合材料的拉伸強度和沖擊強度總體在增加，但彎曲強度下降。

5）秸稈纖維的耐溫性較差，注塑溫度較高時易發(fā)生焦化，導致力學性能下降。