黃麻原纖非織造布增強PHBV復合材料工藝優化

王劍英，奚柏君

采用黃麻纖維制備的增強復合材料已在汽車、建筑等領域有了較為廣泛的應用[1-6]，為提升其復合材料的性能，通常會對黃麻纖維進行各種表面處理[7-12]。雖然處理后的黃麻纖維增強復合材料的相關性能有了一定提升，但其處理過程一方面會對環境造成污染，另一方面會增加企業生產成本。本文以未處理黃麻原纖維非織造布為增強材料來制備復合材料，通過正交設計試驗對制備工藝進行優化，從而提升黃麻原麻纖維增強復合材料的力學性能。

1 試驗部分

1.1 材料和儀器

材料:聚羥基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)(寧波天安生物材料有限公司);黃麻原麻纖維(浙江雙綠紡織有限公司)。

試驗儀器:FA2104SN型電子天平(上海精密科學儀器有限公司);101-1型恒溫干燥箱(上海東星建材有限公司);Instron-5566萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)。

1.2 黃麻原麻纖維針刺非織造布制備

黃麻原麻纖維針刺非織造布制備工藝流程:

黃麻原麻纖維→開松(WL-GK-1-60型開松機)→給棉(WL-J-500型給棉機)→梳理(WL-GS-A-600型梳理機)→鋪網(WL-GP-C-700-800型鋪網機)→進料(WL-800型進料機)→預針刺(WL-ZGS.Z-Y-800型預針刺機)→針刺(WL-ZGS.Z-Z-800型針刺機)→成卷(WL-800型成卷機)→黃麻原麻針刺非織造布。

1.3 黃麻原纖維非織造布/PHBV復合材料制備

通過熱壓工藝(XLB-350*350*2型平板硫化機)將黃麻原麻纖維針刺非織造布與PHBV制備成復合材料，并選取黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比(A)、熱壓溫度(B)、熱壓時間(C)、熱壓壓強(D)4個因素做正交試驗，各實驗水平如表1所示。

表1 正交實驗四因素四水平表

1.4 測試方法

參照標準GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，采用Instron-5566萬能材料試驗機測試黃麻增強PHBV復合材料的拉伸性能，測試隔距50 mm，拉伸速度10 mm/min[13]。

2 結果與討論

通過正交試驗制備的黃麻原纖針刺非織造布/PHBV復合材料的拉伸強度測試值，如表2所示。

在熱壓壓強11 MPa，熱壓時間5 min，熱壓溫度175℃工藝條件下，通過熱壓工藝壓制純PHBV板材一塊，并測試出其拉伸斷裂強度為18.915 MPa，以此為對比樣進行試驗分析。

將純PHBV板材的拉伸斷裂強度與表2中各實驗方案下的復合材料的拉伸斷裂強度對比，可看出除了實驗方案A1B1C1D1復合材料的拉伸斷裂強度略低外，其他實驗方案下制備的復合材料的拉伸斷裂強度均高于PHBV板材的拉伸斷裂強度，且其超出水平在26.26%～222.5%不等。這表明將黃麻原麻纖維針刺非織造布作為增強材料加入到PHBV中，并通過熱壓工藝壓制成復合材料后，其拉伸斷裂強度的增強效果是比較明顯的。

從表2中4因素的極差值可知，影響黃麻原麻纖維針刺非織造布增強PHBV復合材料的拉伸斷裂強度的主次順序為:黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比是主因，其次是熱壓壓強、熱壓時間、熱壓溫度，即A→D→C→B。

由表2中各因素的均值可知，對復合材料的拉伸斷裂強度供獻，黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比水平4最好。熱壓溫度水平1最好，熱壓時間水平2最好，熱壓壓強水平4最好，因此其最優組合工藝為A4B1C2D4，即黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比40/60，熱壓溫度165℃，熱壓時間4 min，熱壓壓強14 MPa。

為驗證最優工藝下的黃麻原麻纖維針刺非織造布增強復合材料的拉伸強度是否最優，采用上述最優工藝方案來制備黃麻原麻纖維針刺非織造布增強PHBV復合材料，并測試其拉伸斷裂強度，結果見表3。

表3 最優化方案驗證結果

從表3可知，在最優工藝組合下制備的復合材料的拉伸斷裂強度要高于正交設計試驗中最好方案下的復合材料的拉伸斷裂強度。為對比分析最優工藝下純PHBV板材的拉伸強度，在方案A4B2C3D3下制備了純PHBV板材，并測得其拉伸斷裂強度為17.269 MPa;這與方案A4B1C2D4工藝條件下制備的黃麻原麻纖維針刺非織造布增強PHBV復合材料相比，后者的拉伸斷裂強度要高出285.09%。

3 結語

(1)在PHBV中加入黃麻原麻纖維針刺非織造布增強材料能夠明顯改善其力學性能，對復合材料拉伸斷裂強度影響最大的工藝因素是黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比，其余工藝因素的影響較小。

(2)由正交試驗得到的復合材料最佳生產工藝為黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比40/60，熱壓溫度165℃，熱壓時間4 min，熱壓壓強14 MPa;在此工藝下制備的黃麻原麻纖維針刺非織造布增強PHBV復合材料的拉伸斷裂強度可達到66.501 MPa。

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