熱壓模具厚度對亞麻/PP熱塑性復合材料性能的影響

嚴濤海(， )

1 前言

麻纖維具有良好的力學性能,且密度低,可生物降解[1],已被廣泛應用于復合材料中。麻纖維復合材料主要應用于汽車、建筑、土工、交通運輸等各方面。20世紀70年代中期,印度原子能研究機構研制出用該材料建造的房屋、谷倉、椅子、簡易儲物架、托盤、管件和游船等產品[2]。國內外一些公司對麻纖維復合材料在汽車內裝飾和其他部件上的應用研究已經取得了較大進展[3]。目前麻纖維增強熱塑性復合材料的制備方法最為成熟和流行的是利用短纖維和樹脂熔融共混的方法[4]，以及麻纖維非織造布和樹脂薄膜層疊方法[5]等，但由于熱塑性樹脂分子量較大，在熔融狀態下具有高粘度，導致這些制作方法各有不足。為了克服熱塑性樹脂流動性差和對增強纖維的不良浸漬的困難，預型件技術的應用則顯得十分有效[6]。

2 實驗與討論結果

2.1 包覆紗制作

采用蘭博電器有限公司LBF12-4A型數控花式捻線機，將PP長絲以一定捻度纏繞在亞麻芯紗的表面,形成PP/亞麻包覆紗。機器基本參數配置見表1。

表1 基本檔位設置

2.2 織造

采用隆達機電B50-S8型自動織樣機,織造機織平紋布。

2.3 復合材料板材制備

將織得的機織布裁成尺寸為30 cm×5 cm的樣片，鋪層數為2層，鋪層使各經緯方向一致。實驗織物的麻體積含量為60%，織物經紗密度為122根/10cm，緯紗密度為72根/10cm。熱壓成型儀器為QLB型平板硫化機，冷壓儀器為XLB-350×350×2型平板硫化機。模具自制，模腔尺寸300 mm×300 mm×2 mm，聚四氟乙烯脫模紙厚度0.1 mm。熱壓工藝為：在180℃溫度下零壓力預熱1 min，保持溫度180℃壓力為7 MPa，熱壓6 min，然后在冷壓機上保持23℃，7 MPa 壓力下冷壓3 min。圖1為試樣和模具的擺放示意圖。

圖1 試樣模具擺放圖

2.4 復合材料剝離和拉伸性能測試

拉伸測試標準為GBT1447-2005,剝離測試標準為ISO 5893；儀器為WDW-20型微機控制電子萬能試驗機。

其中:復合材料的拉伸強度計算公式:

(1)

式中:

σt—— 拉伸強度，單位為兆帕(MPa)；

F—— 破壞載荷或最大載荷，單位為牛頓(N)；

b—— 試樣寬度，單位為毫米(mm)；

d—— 試樣厚度，單位為毫米(mm)。

2.5 模具設計厚度和理論厚度的關系

自制的模具厚度具有可調性，可調模具厚度范圍為0～2.0 mm，變化精度為0.1 mm。經實驗發現模具厚度(理論厚度)與實際板材厚度之間有較大的差異。

模具厚度選擇0 mm，0.4 mm，0.8 mm，1.2 mm，1.6 mm，2 mm。實驗結果見表2:

表2 模具厚度與板材實際厚度的關系

該一元的回歸問題，實驗數據為6個。變量y和x的關系可以假定為5次多項式為最好的擬合，并可知在xa處對y觀察的隨機誤差εa(α=1，2，3，4，5，6)服從正態分布N(0，σ2)。所以就可以得到多項式回歸模型：

ya=β0+β1x+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5α=1，2，3，4，5，6

(2)

將實驗數據帶入方程，可以得到

β0=0.428，β1=0.51158，β2=-0.83698，β3=1.20312，β4=-0.66732，β5=0.13346

擬合方程為：

y=0.428+0.51158x-0.83698x2+1.202312x3-0.66732x4+0.13346x5

(3)

擬合曲線見圖2，可得出任意厚度模具對應的復合材料設計厚度。

圖2 原數據樣條曲線與擬合曲線

當模具厚度為2 mm，1.6 mm時，復合材料四周無樹脂溢出，表面手感較為生澀，有凹凸感，并且織物紗線之間空隙未被樹脂填滿，這種情況下樹脂浸潤性并不好。當模具厚度為1.2 mm時，板材四周有少許樹脂溢出，手感光滑，無凹凸感，織物完全被樹脂填滿，這種情況下樹脂浸潤性較好。當模具厚度為0.8 mm，0.4 m，0 mm時，板材四周樹脂溢出較多，并且隨著模具厚度的減小，樹脂溢出的程度越大，甚至織物的一些邊紗也隨著樹脂的流動而脫離織物組織。模具厚度0.4 mm和0 mm時，板材甚至厚度不勻，可以看到增強織物形狀成為啞鈴型，見圖3，圖4。

模具厚度較大時，亞麻增強織物之間的間隙較大，PP基體在高溫180℃已經完全熔化，織物間隙體積大于PP基體的體積，因此PP基體并未完全浸潤增強亞麻織物，最后復合材料成品板材有凹凸處，手感生澀。當模具厚度較小時，在壓力的條件下，織物被壓實，織物間隙體積也會減少，當間隙體積小于基體的體積時，基體就會溢出增強織物，同時，織物被完全浸潤，浸潤性較好，最后的復合材料板材就顯得薄而光滑，見圖3，圖4。

圖3 厚度過小熱壓材料圖

圖4 厚度適中和較大熱壓材料圖

2.6 復合材料實際厚度與剝離性能和拉伸性能的關系

模具厚度選擇0 mm，0.4 mm，0.8 mm，1.2 mm，1.6 mm，2 mm。實驗結果見表3:

表3 剝離及拉伸實驗結果

由表3可以看出，隨著模具厚度從0 mm開始逐漸增加到1.2 mm，織物的剝離強力逐漸增大，在厚度從0 mm到0.4 mm間的剝離強力增大較為平緩，從0.4 mm到1.2 mm間剝離強力增大很快。從1.2 mm到2.0 mm間先有個下降的過程然后又重新上升。其中1.2 mm的剝離強力是最大的，浸潤的效果是最好的。

模具厚度較小，當樹脂經過高溫就會融化，熔化的樹脂經過高壓就被擠出織物增強材料。當融化的樹脂量大于織物間隙時，模具厚度越小，擠出的樹脂越多，浪費的樹脂越多，作為基體的樹脂量越少，浸潤在增強織物層間的樹脂較少，此時復合材料層間剝離強力較小，厚度越小，剝離強力越小。當融化的樹脂量小于織物間隙時，厚度較大時，此時熔化的樹脂不夠填滿增強織物的空隙，材料表面會有很多的孔洞，手感粗糙，樹脂未能充分浸潤織物，此時的浸潤效果不好，層間浸潤的樹脂也不夠多，因此剝離強力不高。分析得出，只有在合適的模具厚度下的復合材料才具有最好的剝離強力和浸潤效果，樹脂剛好能充滿整個增強織物間的空隙，此時作為基體的樹脂就能更多地發揮效果，樹脂充分地浸潤了織物間隙，在這種條件下的PP/亞麻復合材料的浸潤效果最好，其剝離性能也最好，剝離強力最高。如圖5為厚度剝離曲線。

圖5 厚度剝離強力曲線圖

綜合考慮浸潤效果和剝離強力，僅僅考慮復合材料的拉伸強力是明顯缺乏現實意義的，比較拉伸強度才具有意義，比較的方式參照公式(1)的計算拉伸強度進行比較。因為復合材料的厚度對拉伸強力的影響很大，不同厚度材料拉伸強力的比較是沒有任何意義的，只有限定在同一條件下，比較拉伸強度才具有比較的意義。見圖6，圖7。

圖6 厚度拉伸強力曲線圖

圖7 厚度拉伸強度曲線圖

圖7拉伸強度曲線整體先上升后下降，曲線有個最高峰值。因為增強復合材料厚度過小時，樹脂流失導致無效樹脂增多，此時材料的拉伸主要是由增強織物承擔，因此其強度不是太高；厚度過大時，相對強度就小；只有增強復合材料厚度厚度適中，材料拉伸時由增強織物和基體共同承擔拉伸力，此時才具有最好的相對強度。

3 結論

3.1相同熱壓工藝下，設計模具厚度與實際厚度并不一致，它們之間的關系可以用曲線來擬合。

3.2為獲得較好浸潤效果和拉伸性能的復合材料，應該取一個合適的模具厚度來進行復合材料的加工，過大或過小的模具厚度都不能形成較好的浸潤效果。并且，一般來說較好浸潤效果的復合材料其拉伸性能也較好。

[1] Christophe B.Analysis. Tensile behavior of unidirectional flax/epoxy plies[J]. JEC Composites Magazine，2006，12(3): 25—41.

[2] Bledzki A K，Gassan J，Composites reinforced with cellulose based fibres[J].Progress in Polymer Science，1999，24(2)，221—274.

[3] 劉麗妍，王瑞.麻纖維復合材料及其應用[J].產業用紡織品，2004，(22)：37—40.

[4] 張長安，張一甫，曾競成. 苧麻落麻纖維增強聚丙烯復合材料研究[J]. 玻璃鋼/復合材料，2001，(5): 16—17.

[5] 梁小波，楊桂成，曾漢民. 劍麻纖維增強聚丙烯復合材料的沖擊特性研究[J]. 塑料工業，2003，31(7):18—20.

[6] 張安定，馬勝，丁辛，等. 黃麻纖維增強聚丙烯的力學性能[J]. 玻璃鋼/復合材料，2004，(2):3—5 .