竹纖維復(fù)合材料薄板的性能研究及優(yōu)化

茹燕平,崔 萍,張昭環(huán),黎云玉

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048；2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

隨著社會(huì)發(fā)展和工業(yè)化的進(jìn)程,化石資源日益短缺,環(huán)境污染和循環(huán)利用等新問題的出現(xiàn),制約著碳纖維/玻璃纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展[1-2],新型環(huán)保材料成為了新型材料中一個(gè)新的研究方向[3-5]。大量研究表明,竹纖維被用作碳纖維和玻璃纖維等的替代品,可以用來增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料[6]。竹纖維作為天然植物纖維,來源廣泛、價(jià)格低廉,具有較高的強(qiáng)度和長(zhǎng)徑比,是制備植物纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)原料,是一種理想的纖維增強(qiáng)材料,在環(huán)保和資源保護(hù)方面具有重要意義,已逐步成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[7-9]。

聚丙烯具有質(zhì)輕、價(jià)廉、合成簡(jiǎn)單、原料豐富等特點(diǎn),其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[10]。聚丙烯纖維與其他纖維不同的是,在不同的干濕度環(huán)境下,可以保持自身優(yōu)異的性能和強(qiáng)度[11-12],具有較好的耐腐蝕性和穩(wěn)定性,但這使它不容易在土壤中被分解,聚丙烯纖維是一種成本較低且應(yīng)用廣泛的高分子聚合物材料,但其低溫下易脆裂、抗沖擊性差[13-14]。選擇了竹纖維作為增強(qiáng)體,改善聚丙烯纖維脆性大、抗沖擊性差等缺點(diǎn),制備的竹纖維/聚丙烯纖維復(fù)合材料,可用于汽車內(nèi)襯件等領(lǐng)域[15-16]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

試驗(yàn)所用的原料及儀器見表1。

表1 試驗(yàn)原料及儀器

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)不同模壓溫度(A)、不同模壓保溫時(shí)間(B)、不同竹/聚質(zhì)量比(C),采用三因素三水平正交表,因素-水平表見表2,正交試驗(yàn)方案見表3。

表2 因素-水平表

表3 正交試驗(yàn)方案表

1.3 復(fù)合材料板材的制備

根據(jù)正交設(shè)計(jì)質(zhì)量比對(duì)竹纖維和聚丙烯纖維進(jìn)行稱重,每份質(zhì)量大約為55 g,將竹纖維與聚丙烯纖維進(jìn)行充分開松、混合處理,后在小型梳棉機(jī)上梳理成網(wǎng)。研究表明[17]鋪疊層數(shù)至少6～8層,為保證纖維網(wǎng)的均勻度,采用了鋪網(wǎng)層數(shù)為8層[18]。根據(jù)模具尺寸大小,纖維網(wǎng)裁剪成200 mm×250 mm 的矩形。

在模具上下模板內(nèi)表面均勻地涂抹脫模劑,將裁剪好的纖維網(wǎng)放入模具后將模具放入平板硫化機(jī)內(nèi),自動(dòng)加熱升溫至所需溫度,按正交設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行保溫保壓,固化成板材后,自然冷卻至室溫后脫模。

1.4 復(fù)合材料板材性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率分別參照GB/T 1446—1983、GB/T 1040—1992在YG(B)026H-250型織物強(qiáng)力儀上測(cè)試[19]；頂破強(qiáng)力和頂破伸長(zhǎng)分別參照GB/T 8878、GB/T 7742在YG(B)026H-250型織物強(qiáng)力儀上測(cè)試；芯吸速率在YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀上進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)間為10 min,溫度設(shè)定為(27±2)℃。

2 結(jié)果與分析

采用綜合平衡法進(jìn)行分析[20],極差分析未將偶然誤差和條件誤差分開,需與方差分析結(jié)合,得到每個(gè)指標(biāo)影響因素的主次及優(yōu)化方案。

2.1 極差分析

竹/聚復(fù)合材料板材性能測(cè)試結(jié)果及極差分析見表4。

表4 竹/聚復(fù)合材料板材性能測(cè)試結(jié)果與極差分析表

由表4可知,對(duì)于拉伸性能,RB＞RA＞RC,即各因素對(duì)板材影響因素的主次依次為B＞A＞C,k3＞k2＞k1,即模壓成型的優(yōu)化方案為A3B3C3。對(duì)于頂破性能,(1)頂破強(qiáng)度RB＞RA＞RC,各因素對(duì)板材影響因素的主次依次為B＞A＞C,k3＞k2＞k1,即優(yōu)化方案為A1B1C3；(2)頂破伸長(zhǎng)RB＞RA＞RC,即各因素對(duì)板材影響因素的主次依次為B＞A＞C,k2＞k1＞k3,即優(yōu)化方案A1B2C2。芯吸速率RA＞RB＞RC,即各因素對(duì)板材影響因素的主次依次為A＞B＞C,k2＞k1＞k3,即優(yōu)化方案為A2B2C1。

2.2 方差及顯著性分析

采用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析[20],在方差分析中,利用均方分析來判斷各因素主次,利用F值做顯著性檢驗(yàn)。

表5 竹/聚復(fù)合材料板材力學(xué)性能的方差及顯著性分析

由表5可知,SB＞SA＞SC,即各因素對(duì)板材影響因素的主次依次為B＞A＞C。對(duì)于拉伸性能,A 因素:F0.1＞FA＞F0.2,即對(duì)板材拉伸性能有一定影響；B因素:F0.05＞FB＞F0.1,有影響；C因素:F0.2＞FC,無影響。對(duì)頂破性能,(1)頂破強(qiáng)力:A因素:F0.1＞FA＞F0.2,即對(duì)板材頂破強(qiáng)力有一定影響；B因素:F0.01＞FB＞F0.05,影響顯著；C因素:F0.2＞FC,無影響。(2)頂破伸長(zhǎng):A 因素；F0.01＞FA＞F0.05,影響顯著；B因素:FB＞F0.01,影響高度顯著；C因素:F0.01＞FC＞F0.05,影響顯著。對(duì)芯吸性能,A 因素:F0.2＞FA,即對(duì)板材芯吸性能無影響；B因素:F0.05＞FB＞F0.1,有影響；C因素:F0.2＞FC,無影響。

綜合極差、方差顯著性分析,得出板材力學(xué)性能優(yōu)化方案為:拉伸性能優(yōu)化方案A3B3C3；頂破性能優(yōu)化方案A1B2C3；芯吸速率優(yōu)化方案A2B2C1。

2.3 各因素對(duì)復(fù)合材料板材力學(xué)性能影響分析

2.3.1 竹/聚質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料板材力學(xué)性能的影響

圖1 竹/聚質(zhì)量比對(duì)板材力學(xué)性能影響

由圖1(a)、圖1(b)看出,當(dāng)竹纖維與聚丙烯纖維的質(zhì)量比為50/50,相比60/40與70/30,板材的拉伸性能和頂破性能較高,分析認(rèn)為這可能由于一方面隨著竹纖維含量增加,聚丙烯纖維含量逐漸減少,在模壓成型過程中,增強(qiáng)體與樹脂間不能充分接觸,板材的界面結(jié)合較弱,基體不能及時(shí)傳遞應(yīng)力,造成應(yīng)力集中現(xiàn)象,使板材過早破壞；另一方面竹纖維與聚丙烯纖維的極性不同,造成2種纖維相容性差,界面粘結(jié)不良[21]。由圖1(c)看出,當(dāng)竹/聚質(zhì)量比為60/40,板材的芯吸速率較其他2種比例高,說明板材的芯吸性能是由竹纖維的親水性和內(nèi)部空隙決定的,當(dāng)竹纖維含量小于60%時(shí),竹纖維對(duì)板材的增強(qiáng)作用減弱,當(dāng)大于60%時(shí),界面粘結(jié)差,影響芯吸性能。綜合考慮,最佳竹/聚質(zhì)量比為50/50。

2.3.2 模壓溫度對(duì)復(fù)合材料板材力學(xué)性能的影響

圖2 模壓溫度對(duì)板材力學(xué)性能影響

由圖2(a)、圖2(c)看出,當(dāng)模壓溫度為180℃時(shí),相比170℃與190℃,板材的拉伸性能和芯吸速率相對(duì)較高,分析認(rèn)為這可能由于一方面當(dāng)溫度過低,板材的成型固化速度快,內(nèi)部的氣泡沒有及時(shí)排出,增強(qiáng)體與基體間存在空隙,導(dǎo)致板材界面粘結(jié)性差；另一方面溫度過高,板材表面比內(nèi)層固化快,影響芯吸速率[17]。由圖2(c)看出,當(dāng)模壓溫度為170℃,板材的頂破性能好,可能由于隨著溫度升高,板材易熱解脆化,韌性降低,導(dǎo)致其性能下降。綜合考慮,最佳模壓溫度為180℃。

2.3.3 模壓保溫時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖3 模壓保溫時(shí)間對(duì)板材力學(xué)性能影響

由圖3(a)看出,隨著模壓保溫時(shí)間的延長(zhǎng),板材的拉伸性能先下降后上升,當(dāng)模壓保溫時(shí)間為40 min時(shí),板材的拉伸性能好。分析認(rèn)為可能由于時(shí)間越長(zhǎng),聚丙烯纖維的流動(dòng)性越好,有利于竹纖維的浸潤(rùn),板材內(nèi)部空隙率降低,提高其拉伸性能。從圖3(b)、圖3(c)看出,當(dāng)模壓保溫時(shí)間為30 min時(shí),板材的頂破性能和芯吸性能好。分析認(rèn)為可能由于時(shí)間過短,聚丙烯纖維熔融不充分,增強(qiáng)體和基體之間界面結(jié)合性較差,板材發(fā)生翹曲變形,影響板材拉伸性能。當(dāng)時(shí)間過長(zhǎng),一方面板材內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,另一方面浪費(fèi)能源、效率降低。綜合考慮,最佳模壓保溫時(shí)間為30 min。

3 結(jié)論

綜合分析,竹/聚復(fù)合材料板材在模壓成型過程中,當(dāng)模壓溫度為180℃,模壓保溫時(shí)間為30 min,竹/聚質(zhì)量比為50/50時(shí),復(fù)合材料板材的各向力學(xué)性能最佳。其當(dāng)竹/聚質(zhì)量比為60/40時(shí),板材的芯吸性能最好,50/50時(shí)板材的頂破性能和拉伸性能最好,得出最佳竹/聚質(zhì)量比為50/50；當(dāng)模壓溫度為170、180 ℃時(shí),板材的頂破性能較好；180 ℃時(shí)板材的拉伸性能和芯吸性能最好,得出最佳模壓溫度為180 ℃；當(dāng)模壓保溫時(shí)間為30 min 時(shí),板材的頂破性能和芯吸性能最好,40 min時(shí)板材的拉伸性能最好,考慮到制備的竹/聚復(fù)合材料板材主要應(yīng)用于汽車內(nèi)裝飾等領(lǐng)域,要求耐沖擊性和吸濕排汗性能好,得出最佳模壓保溫時(shí)間為30 min。即竹/聚復(fù)合材料板材最佳模壓成型工藝為:A2(180 ℃)B2(30 min)C3(50/50)。