熱壓成型工藝對竹纖維/PLA復合材料力學性能的影響

鄭茜仁，邵靈達，金肖克，祝成炎，田 偉

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，杭州 310018)

21世紀以來，由于復合材料技術的迅速發展，以碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等為增強體的復合材料因其質量輕、強度高而被廣泛應用于各個行業，在材料科學領域占據了一席之地[1-2]。但是這些纖維增強復合材料達到使用壽命后，回收和自然降解都十分困難，容易引起嚴重的環境問題[3]。竹纖維是一種纖維素纖維，具有密度小、可降解的優點，且中國竹子產量大，竹纖維資源豐富。與其他纖維素纖維相比，竹纖維力學性能較優異，適合用作可降解復合材料的增強體[4-5]。聚乳酸(Polylactic acid, PLA)是一種以植物為原材料的聚酯衍生物，可以在自然環境中完全降解，分解后僅生成二氧化碳和水[6]，不會導致環境污染的問題，與其他的可降解樹脂材料相比，它具有較強的拉伸強度及模量，可通過多種方式進行加工[7]，被廣泛應用于生物醫療、汽車、食品包裝等行業[8-9]。

利用竹纖維與PLA都具有可降解性的優點制備復合材料，是可降解復合材料領域的一大熱點，相關研究也引起了學術界的高度關注[10]。但竹纖維與PLA的復合存在界面結合較差的問題，導致復合材料的綜合性能較差。Ma等[11]采用4種硅烷偶聯劑以不同的濃度，改性處理竹纖維和PLA之間的界面。證實了在改性過程中，偶聯劑中的Si—O—C鍵和纖維素中的氫鍵發生了偶聯反應，極大地提高了竹纖維/PLA復合材料的斷裂伸長率。Zuo等[12]首先使用氫氧化鈉對竹纖維進行預處理，再將乳酸接枝到竹纖維上，制得的竹纖維/PLA復合材料界面相容性好，綜合性能顯著提高。目前，對竹纖維/PLA復合材料的研究主要集中于竹纖維的改性，鮮少有對其熱壓成型工藝的研究報道，而熱壓成型工藝參數的不同對竹纖維/聚乳酸復合材料的力學等綜合性能具有直接影響[13]，因此對其熱壓成型工藝的研究是有必要的。

本文以PLA為基體，竹纖維為增強體，采用 L9(33) 正交實驗設計，將熱壓成型溫度、壓強、時間作為影響因素分析竹纖維/PLA復合材料制備工藝，優選竹纖維/PLA復合材料的熱壓成型工藝參數，并進一步研究達到顯著性水平的工藝參數對該復合材料力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

竹纖維非織造布，織物平方米質量100 g/m2，纖維長度3～6 cm，纖維直徑15～22 μm，針刺固結，交叉鋪網，山東省奧絨服裝有限公司；聚乳酸(PLA)，顆粒狀，3251D型，熔點175～185 ℃，熔融指數(MI)30～40 g/10 min(170～210 ℃)，美國Nature Works公司；二氯甲烷(CH2Cl2)，分子量84.93，純度不小于99.5%，杭州市高晶精細化工有限公司。

1.2 主要儀器

臺式真空干燥箱(DZF-6050，揚州市慧科電子有限公司)；恒溫水浴鍋(HH-2，常州普天儀器制造有限公司)；精密電子天平(AL204-IC，梅特勒-托利多有限公司)；精密型數顯電動攪拌器(JJ-1，杭州市齊威儀器有限公司)；半自動平板硫化儀(QLB-25T，江蘇省無錫市中凱橡膠機械有限公司)；金剛石帶鋸切割機(SYJ-D2000，沈陽市科晶自動化設備有限公司)；掃描電子顯微鏡(JSM-5610LV，日本電子株式會社)；萬能強力儀(MTS，MTS工業系統有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 正交試驗設計

正交設計的原理主要是利用了“正交性”，從大量的試驗影響因素中選取最為典型的少數幾個因素，合理地用部分試驗替代全部試驗；分析結果后，了解試驗情況，判斷各因素的優先順序及其對試驗的顯著性影響[14]。在熱壓成型工藝中，壓強、溫度、時間3個因素參數的改變，會使樹脂的流動性以及固化速度等產生變化[15]，從而導致復合材料在成型效果上呈現較大的差異，進而影響其力學性能。

為了使竹纖維/PLA復合材料可以獲得較好的成型效果，制備時根據PLA的熔點和熔融指數，選取溫度和時間范圍分別為170～190 ℃、10～30 min進行試驗。蔡新娟[16]采用模壓成型的方法制備PLA，發現當模壓壓強為2 MPa時，PLA成型較好，據此選擇1～3 MPa作為壓強的3個水平。在試驗設計時，選擇熱壓成型的溫度、壓強、時間3個因素為典型因素，進行L9(33)正交試驗，熱壓工藝因素水平見表1。

表1 熱壓工藝的因素水平Tab.1 Factor level of hot pressing process

1.3.2 竹纖維/PLA復合材料制備

選擇二氯甲烷為溶劑，為使竹纖維較好地浸潤于PLA，配置質量分數為15%的PLA稀溶液。按照比例在燒杯中倒入二氯甲烷，隨后緩慢加入PLA顆粒，置于50 ℃的恒溫水浴鍋中，并使用攪拌器快速攪拌，直至PLA顆粒完全溶解。

根據前期探索試驗，選擇竹纖維質量占比為30%進行實驗。將烘干處理的竹纖維放入PLA溶液中浸潤30 min后取出，層疊平鋪于聚四氟乙烯脫模布上，制備過程如圖1所示。把預制件放于通風環境中揮發后，在最上方鋪蓋脫模布。將層疊鋪放的預制件放入熱壓模具中，并放置墊片，解決樹脂溢出的問題[17]，提高竹纖維與PLA在復合材料整體占比上的準確性，同時保證其厚度的均勻性，如圖2所示。最后將模具置于平板硫化儀上，自動加熱至所需溫度，按正交試驗設計熱壓后，取出模具，自然冷卻至室溫并脫模。由于拉伸和彎曲性能的測試所需試樣厚度的不同，制備復合材料時根據厚度分別進行。

圖1 竹纖維/PLA復合材料預制件制備過程Fig.1 Preparation process of bamboo fiber/PLA composite preform

1.蓋板； 2.脫模布； 3.預制件； 4.墊片； 5.模具圖2 竹纖維/PLA復合材料層疊鋪放Fig.2 Bamboo fiber/PLA composite material stacking

1.3.3 形貌表征與性能測試

復合材料經過力學試驗后，在斷裂面上取樣，使用JSM-5610LV型掃描電鏡對純PLA和竹纖維/PLA復合材料斷裂面形貌進行觀測，施加5 kV的加速電壓，調節放大倍數為300。

復合材料拉伸性能和彎曲性能分別依照GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》、GB/T 1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，使用MTS萬能強力儀進行測試。裁取的拉伸試樣厚度為2 mm，彎曲試樣厚度為4 mm。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

極差分析和方差分析是用來分析正交實驗結果最常見的兩種方法，它們各有側重。極差分析通過對復合材料拉伸和彎曲強度極差R值的分析，判斷出使用熱壓工藝制備竹纖維/PLA復合材料時，溫度、壓強、時間3個因素的主次順序，結合K值后，可確定最優組合。方差分析又稱F檢驗，可以確定出3個因素所引起復合材料性能差異的大小，得出對竹纖維/PLA復合材料制備時具有顯著性影響的因素[18-19]。

3.1.1 極差分析

通過比較表2中極差值R可知，對于竹纖維/PLA復合材料的拉伸強度，RB>RA>RC，說明在熱壓成型工藝中，壓強對拉伸強度的影響是最大的，其次再是溫度，時間的影響最弱，結合K值，可得出較優的成型工藝方案為B2A2C1。而對于竹纖維/PLA復合材料的彎曲強度，同樣可以得出RB>RA>RC，再結合K值，可以選出較優的工藝方案為B2A2C3。根據表中K值，比較熱壓時間為10、30 min時的拉伸和彎曲強度，可以得出當時間為30 min時，竹纖維/PLA復合材料的綜合力學性能較好。因此，考慮確定B2A2C3為制備竹纖維/PLA復合材料的最優方案。

3.1.2 方差分析

竹纖維/PLA復合材料拉伸及彎曲強度的方差分析如表3所示。通過比較3個因素的F值，可以得出結論，3個典型因素對復合材料拉伸及彎曲強度的影響程度均為：B(壓強)>A(溫度)>C(時間)，這與極差分析所得到的結果完全吻合。同時，根據p值可以得出，熱壓壓強B對竹纖維/PLA復合材料的拉伸強度具有顯著影響。

表3 竹纖維/PLA復合材料力學性能的方差分析Tab.3 Variance analysis of mechanical properties of bamboo fiber/PLA composites

2.2 成型壓強對復合材料力學性能的影響

從正交試驗結果中可以發現，熱壓成型時，壓強值的變化對竹纖維/PLA復合材料的拉伸和彎曲強度的影響都是最大的。為進一步探究壓強對復合材料的影響，根據正交試驗分析結果，在180 ℃，30 min 的熱壓成型條件下，增加1.5 MPa和 2.5 MPa 兩個水平，并探究不同壓力下，復合材料的力學性能的變化規律。

當熱壓溫度為180 ℃，時間為30 min時，不同壓強作用下，竹纖維/PLA復合材料的拉伸、彎曲強度變化曲線如圖3所示。根據圖3可得，在1～2 MPa 的壓強范圍內，竹纖維/PLA復合材料的拉伸強度和彎曲強度均隨著壓強的增大而提高。壓強為2 MPa時，復合材料的拉伸和彎曲強度分別達到最大值為61.43、65.47 MPa。但當壓強繼續提升時，復合材料的拉伸、彎曲強度均呈下降趨勢，與壓強為2 MPa時的強度相比，壓強為3 MPa時，分別下降了16.91%，37.44%。這是因為，壓強的增加可以使竹纖維與PLA的界面結合更加緊密，從而提升復合材料的力學性能；而當壓強值過大時，會導致竹纖維與PLA界面結合過強，即PLA與竹纖維間的擠壓程度過大，使竹纖維的增強效果減弱，反而引起復合材料力學性能的下降。

壓強/MPa圖3 不同壓強下復合材料力學性能的變化Fig.3 Changes in mechanical properties of composites under different pressures

基于正交試驗分析結果，壓強對竹纖維/PLA復合材料的拉伸強度具有顯著性影響，對該復合材料的拉伸強度變化原因作進一步的研究分析。圖4為PLA及不同壓強下竹纖維/PLA復合材料拉伸斷裂面的微觀形貌進行分析。由圖4(a)可知，PLA的斷面呈現明顯的流狀線條，為脆性斷裂[20]，符合PLA屬于脆性材料的特點。比較圖4(b)—(f)可以看出，當壓強為1 MPa時，復合材料中的界面結合較弱，拉伸斷裂時斷口表面不平整，大量的竹纖維被拉出。當復合材料被拉伸破壞時，竹纖維呈現出兩種不同的斷裂形式，一部分纖維同PLA基體一起斷裂，形成平整的斷裂面，另一部分的竹纖維由于應力的轉移而被拉出，同時造成周圍PLA基體的開裂，形成裂紋。壓強為 2 MPa 時，竹纖維斷口較整齊，僅有少量纖維被抽拔出來，這與余娟娟等[21]對玄武巖/PLA復合材料拉伸斷裂的狀態一致。此時，竹纖維與PLA的界面結合良好，可有效的將拉伸作用力通過樹脂傳遞給纖維，從而提高了其拉伸強度。而當壓強繼續增加后，竹纖維與PLA斷口基本平齊，界面結合過強，發生脆性斷裂，導致復合材料整體拉伸強度的下降[22]。

圖4 PLA、竹纖維/PLA復合材料斷裂面微觀形貌Fig.4 Micromorphology of fracture surface of PLA and bamboo fiber/PLA composites

3 結 論

本文根據設計的三因素正交試驗，制備不同熱壓工藝參數下的竹纖維/PLA復合材料，分析了熱壓溫度、壓強、時間對竹纖維/PLA復合材料力學性能的影響，并進一步研究具有顯著性影響的因素與該復合材料力學性能之間的變化規律，得出以下結論：

a) 在熱壓溫度、壓強、時間3個因素中，壓強對竹纖維/PLA復合材料的拉伸及彎曲強度產生的影響最大，溫度次之；同時，熱壓成型壓強對復合材料拉伸強度具有顯著性影響。

b) 在竹纖維質量分數為30%的條件下，當熱壓工藝參數為180 ℃、2 MPa、30 min時，竹纖維/PLA復合材料的成型效果最好，復合材料的拉伸強度達到最大值61.43 MPa，彎曲強度達到最大值65.47 MPa。

c)在熱壓工藝參數為180 ℃、30 min、1～3 MPa 的條件下，隨著壓強值的增大，竹纖維/PLA復合材料拉伸、彎曲強度的變化趨勢相同，均為先增大后減小。當壓強為2 MPa時，復合材料的拉伸、彎曲強度達到峰值。