PLA/黃麻多層混纖熱壓復(fù)合材料的制備及工藝優(yōu)化

劉成誠，徐國平，丁新波

(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州　310018)

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PLA/黃麻多層混纖熱壓復(fù)合材料的制備及工藝優(yōu)化

劉成誠，徐國平，丁新波

(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州310018)

摘要：以混纖比為30/70的PLA/黃麻混纖針剌絮片為基材，利用熱壓工藝，制備多層混纖復(fù)合材料。以了解熱壓溫度、鋪向角等制備工藝參數(shù)對多層混纖復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。經(jīng)優(yōu)化分析，分別得出彎曲強度、拉伸強度與熱壓溫度、鋪向角的回歸方程；在此基礎(chǔ)上，確立了PLA/黃麻多層混纖復(fù)合材料的制備工藝。結(jié)果表明：在壓強為8MPa、熱壓時間為3min的情況下，當(dāng)熱壓溫度為206℃、鋪向角為45°時制備得到的多層混纖復(fù)合材料力學(xué)性能較佳。

關(guān)鍵詞：PLA/黃麻絮片；復(fù)合材料；熱壓溫度；鋪向角；回歸設(shè)計；力學(xué)性能

近年來，隨著科技的飛速發(fā)展和社會的不斷進步，各行業(yè)的發(fā)展也呈現(xiàn)出多元化趨勢。然而，隨著工業(yè)化進程的不斷加快，各種環(huán)境污染問題也開始變得越來越嚴重，尤其是與生活緊密相關(guān)的包裝、汽車內(nèi)飾以及裝修行業(yè)中產(chǎn)生的大量不可回收、降解難的塑料、板材等包裝材料，已給環(huán)境造成了嚴重的危害。因此，采用環(huán)保價廉的天然纖維和完全生物可降解材料，開發(fā)具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料，對解決當(dāng)前環(huán)境污染問題有著重要的意義[1-3]。

麻屬于天然纖維，歷史悠久[4]，能自然降解[5]；聚乳酸(PLA)纖維屬于生物質(zhì)材料，在自然環(huán)境中最終也能完全降解成為二氧化碳和水，將二者有機結(jié)合，應(yīng)用于包裝、汽車內(nèi)飾、裝修等行業(yè)，前景廣闊。近年來，國內(nèi)外對于PLA/黃麻復(fù)合材料的研究還不多，主要集中于不同纖維鋪層熱壓成型方法對該復(fù)合材料的制備工藝、力學(xué)性能及可降解性的影響[6]；利用黃麻纖維氈與PLA薄膜交替鋪層的方法，通過模壓成型工藝制得了黃麻纖維氈增強聚乳酸復(fù)合材料，并對其最佳工藝參數(shù)進行了探究[7]。通過黃麻纖維層與PP膜交替鋪層層壓法制備了黃麻氈/PP膜復(fù)合材料，分析了其制備的最佳工藝參數(shù)[8]。上述文獻中采用層壓法成型工藝時，黃麻占比較小，成本高，且構(gòu)成復(fù)合材料的兩種原料均以單一纖維層(或膜)的形式出現(xiàn)，造成兩種材料之間相互滲透性差、粘結(jié)強度低，易分層，復(fù)合材料難以滿足實際使用的要求。

考慮到黃麻價廉易得，而PLA纖維成本較高，從降低成本，更有利于推廣、有效改善粘結(jié)性的角度出發(fā)，本文以混纖比為30/70的PLA/黃麻混纖針剌絮片為基材，采用層壓法制備多層復(fù)合板，研究其層壓工藝與力學(xué)性能之間的關(guān)系。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，影響力學(xué)性能的主要成型工藝參數(shù)為：成型溫度、鋪向角和PLA與黃麻纖維的配比[5]。因此，本文中PLA/黃麻的配比為30/70的情況下，通過改變成型溫度和鋪向角度，并采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合方法來設(shè)計實驗方案，考察工藝參數(shù)對其彎曲強度及拉伸強度的影響，建立回歸方程，優(yōu)化工藝參數(shù)，為該類復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　試　驗

1.1試驗原料

PLA/黃麻混合纖維絮片，混纖比為30∶70，面密度為300g/m2。該混纖絮片的針刺流程圖如圖1所示。

圖1　針刺流程

1.2試樣的制備

根據(jù)課題組前期的研究，選取熱壓溫度和鋪向角為因子，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，建立實驗方案，制備層壓材料。其因子水平編碼表[9]如表1所示，結(jié)構(gòu)矩陣表[9]如表2所示。

表1因子水平編碼表

因子水平-1.414-10+1+1.414溫度X1/℃185.76190200210214.14鋪向角X2/(°)013.184576.8290

表2結(jié)構(gòu)矩陣表

設(shè)計方案X0X1X2X1X2X3X41111155211-1-15531-11-15541-1-1155511.4140018-861-1.4140018-87101.4140-818810-1.4140-81891000-8-8101000-8-8111000-8-8121000-8-8131000-8-8

試樣制備采用平板熱熔層壓法，將PLA/黃麻的混纖絮片按不同角度方案裁成邊長為25cm的正方形試樣，然后按要求分別鋪層，每塊板材總層數(shù)為12層；根據(jù)本課題組的前期研究，以及板材在同等條件下改變壓強和熱壓時間，多次壓制后所得的性能最優(yōu)板材的壓強和熱壓時間，即壓強為8MPa，熱壓時間為3min，從而將鋪好的試樣經(jīng)平板硫化機在壓強為8MPa的條件下熱壓3min，制得復(fù)合材料。制備流程如圖2所示。

圖2　復(fù)合材料的制備流程

1.3試驗儀器及測試方法

彎曲性能測試：采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449—2005，在RGL-20A型微機控制電子萬能試驗機上進行彎曲性能測試，試樣尺寸為100mm×4mm，跨距為64mm，試驗速度為10mm/min。

拉伸性能測試：采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.4—2006，在RGL-20A型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸性能測試，試樣尺寸為200mm×4mm，拉伸速度為5mm/min。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1試驗結(jié)果

將不同工藝制備取得的試樣分別進行彎曲強度和拉伸強度測試。對得到的原始數(shù)據(jù)進行異常值的剔除處理，并進行正態(tài)檢驗和方差一致性檢驗。對符合正態(tài)性和方差一致性的結(jié)果進行統(tǒng)計求出平均值，試驗結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3試驗結(jié)果

設(shè)計方案彎曲強度/MPa拉伸強度/MPa137.7215.52237.5315.19336.8115.10436.7314.56537.8915.22636.8114.55736.8414.66836.8214.78938.1415.691038.1615.261138.0915.601238.1315.891338.1415.52

2.2回歸結(jié)果與分析

對試驗結(jié)果經(jīng)過二次通用旋轉(zhuǎn)回歸分析計算，得到的回歸方程如下：

a) 復(fù)合材料彎曲強度Y1的回歸方程：

Y1=38.05+0.40X1-0.04X2+0.03X1X2

(1)

b) 復(fù)合材料拉伸強度Y2的回歸方程：

Y2=15.54+0.25X1+0.09X2-0.05X1X2

(2)

對回歸方程(1)、(2)和回歸系數(shù)的顯著性進行檢驗[10]，結(jié)果如表4所示。

表4試驗結(jié)果方差分析

差異源SS彎曲拉伸dfF彎曲拉伸顯著性彎曲拉伸X11.310.50123.285.12**X20.010.0610.200.63X1X20.0030.0110.050.11X210.570.39110.053.97**X222.350.76141.817.76**回歸4.241.72515.083.52**殘差0.390.687總和4.632.4012

注：當(dāng)α=0.1時，F(xiàn)0.1(1，7)=3.59，F(xiàn)0.1(5，7)=2.88。

從表4的檢驗結(jié)果可知：各個回歸方程的顯著性檢驗結(jié)果為F彎曲=15.08，F(xiàn)拉伸=3.52。又因為當(dāng)α=0.1時，F(xiàn)0.1(5，7)=2.88，F(xiàn)彎曲與F拉伸均大于2.88，所以這兩個回歸方程均顯著，說明選定的工藝參數(shù)對該復(fù)合材料的影響顯著。同時查看各回歸系數(shù)的顯著性，可以發(fā)現(xiàn)，對于彎曲強度和拉伸強度，均只有X1X2與X2即溫度和角度的交互項和角度的回歸系數(shù)不顯著。剔除不顯著項后，建立該工藝參數(shù)對復(fù)合材料彎曲、拉伸強度的新回歸方程如下：

復(fù)合材料彎曲強度Y1的回歸方程：

(3)

復(fù)合材料拉伸強度Y2的回歸方程：

(4)

由回歸方程(3)的顯著性可知，復(fù)合材料的彎曲強度與溫度和鋪向角的關(guān)系較大，影響復(fù)合材料彎曲強度的因素依次是鋪向角的二次項、溫度的一次項、溫度的二次項。其中溫度的一次項對彎曲強度的影響是正效應(yīng)。由回歸方程(4)的顯著性可知，復(fù)合材料的拉伸強度與溫度和鋪向角的關(guān)系較大，影響復(fù)合材料拉伸強度的因素依次是鋪向角的二次項，溫度的一次項、溫度的二次項。其中溫度的一次項對拉伸強度的影響是正效應(yīng)。因為PLA的熔融溫度是170～180℃，在溫度升高到一定值之前，PLA的流動性越來越好，所以PLA與黃麻的粘結(jié)性也更好。但是在溫度升高到一定值之后，PLA熔體的表觀黏度會隨著溫度的升高而下降，可能是因為PLA在高溫下出現(xiàn)了降解[11]，造成兩者的粘結(jié)性下降。混纖絮片基材中纖維的方向基本處于單向狀態(tài)，隨著絮片之間鋪向角的改變，絮片基體之間的纖維出現(xiàn)相互交叉的現(xiàn)象，從而改善了復(fù)合材料的異方性。

由回歸方程(3)—(4)對復(fù)合材料的彎曲強度，拉伸強度所做的三維曲面圖和相應(yīng)的二維等高線圖如圖3和圖4所示。

圖3　彎曲強度的曲面圖和等高線圖

圖4　拉伸強度的曲面圖和等高線圖

圖3為彎曲強度的三維及二維圖。從圖3中可以看出，溫度不變，復(fù)合材料的彎曲強度隨著鋪向角的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；鋪向角不變，復(fù)合材料的彎曲強度隨著溫度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。圖4為拉伸強度的三維及二維圖。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：溫度不變，復(fù)合材料的拉伸強度隨著鋪向角的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；鋪向角不變，復(fù)合材料的拉伸強度隨著溫度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

2.3最優(yōu)工藝參數(shù)

根據(jù)不同的熱壓溫度及鋪向角度壓制而成的復(fù)合板材，通過測試其彎曲強度和拉伸強度，經(jīng)過二次通用旋轉(zhuǎn)回歸分析，分別計算出它們的回歸方程，最后計算出它們的最優(yōu)工藝參數(shù)，從而可以根據(jù)這個參數(shù)來壓制各項力學(xué)性能均最好的復(fù)合板材。通過彎曲強度得到的最優(yōu)工藝參數(shù)：溫度207℃，鋪向角45°。通過拉伸強度得到的最優(yōu)工藝參數(shù)：溫度205℃，鋪向角45°。因為通過彎曲和拉伸得出來的數(shù)值差異并不大，所以，經(jīng)過綜合分析，最優(yōu)工藝參數(shù)為：溫度206℃，鋪向角45°。

3　結(jié)　論

b)對于配比為30/70的PLA/黃麻絮片，確定了較為合理的壓制工藝參數(shù)，即在壓強與時間為定值即壓強為8MPa，熱壓時間為3min的情況下，熱壓溫度與鋪層角度的最佳工藝參數(shù)為：溫度206℃，鋪向角45°。

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(責(zé)任編輯：許惠兒)

收稿日期：2015-06-05

作者簡介：劉成誠(1989-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事紡織復(fù)合材料方面的研究。 通信作者：徐國平，E-mail:xuguoping8@126.com

中圖分類號：TB332

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)03-0019-04

Preparation and Process Optimization of PLA/Jute Multilayer Hot-Pressed Blended Fiber Composite Material

LIUChengcheng，XUGuoping，DINGXinbo

(College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：In this paper, the PLA/jute needled fiber mesh with the blending ratio of 30/70 was used as basic materials to make the multi-layer blended fiber composite materials by using the hot-pressing technology so as to understand the influences of technological parameters for preparation such as hot-pressing temperature and angle of layer on the mechanical properties of multi-layer blended fiber composite materials. The regression equations of the bending strength, hot-pressing temperature and angle of layer were obtained respectively through optimized analysis; based on this, the preparation technology of the PLA/jute multi-layer blended fiber composite materials is established. As shown in the result, the mechanical property of multi-layer blended fiber composite materials made at the hot-pressing time of 3min, temperature of 206℃ and angle of layer of 45° is better.

Key words：PLA/jute flocculus; composite materials; hot-pressing temperature; angle of layer; regression design; mechanical property