針刺加固頻率對黃麻纖維/聚乳酸短纖復合板性能的影響

孫明濤, 陳成玉, 閆偉霞,2, 曹珊珊, 韓克清

(1. 東華大學 材料科學與工程學院, 上海 201620; 2. 東華大學 分析測試中心, 上海 201620)

隨著石油資源逐漸緊缺,全球氣候變暖,環境污染等問題愈發嚴峻,實現可持續發展路線已成為提高人類社會發展水平的必由之路。傳統的高能耗、高污染的石油基聚合物材料將逐漸由生物基環保材料替代[1]。尤其是隨著“碳達峰、碳中和”戰略目標的提出,可降解、低排放的天然纖維增強復合材料的開發及應用受到極大的關注[2]。與傳統復合材料相比,天然纖維增強復合材料成本更低、質輕且環保,符合汽車工業對新材料的要求,也符合現代社會對綠色環保和低碳化的要求[3-5]。在天然植物纖維中,麻纖維因具有比表面積大、低密度、強度高和可降解性等優點,被廣泛用作復合材料增強體[6-8]。截至目前,汽車產業中使用麻類纖維增強復合材料已有數十種,在汽車內飾件,如車門面板、座椅背板、車頂襯墊、頂棚、行李架等方面均有所應用[9-11]。聚乳酸(PLA)是由玉米、秸稈發酵得到的生物質可降解材料,具有良好的力學性能與可加工性,被認為是最有潛力替代傳統石油基聚合物材料的[12-14]。由于來源于生物質,使用后可降解的麻類纖維增強聚乳酸復合材料具有較高的研究價值與廣泛的應用前景[15-17]。

纖網模壓成型法是將基體纖維與增強體纖維以不同比例混合,經開松、梳理、鋪網后組成網狀纖維層,再經針刺成氈后熱壓成型。纖網模壓成型過程中通過針刺加固使聚乳酸短纖與黃麻纖維之間產生柔性的機械纏結,從而有利于后續熱壓過程中聚乳酸基體對麻纖維的浸潤、包覆。同時,纖維網的高孔隙率還可降低復合板的密度,實現產品輕量化。針刺頻率作為纖網模壓成型過程中的重要參數,對最終得到的黃麻纖維/聚乳酸短纖復合板的結構及性能具有一定的影響,但目前鮮見報道。本文以孟加拉黃麻纖維(JF)與PLA短纖為原料,通過纖網模壓成型法制備了黃麻纖維增強聚乳酸短纖(JF/PLA)復合板,并通過表面形貌觀察及力學性能、燃燒性、吸水性和生物降解性測試等手段,探討了黃麻纖維/聚乳酸短纖復合氈的針刺頻率對復合板結構及性能的影響規律。

1 試驗部分

1.1 原料與設備

孟加拉黃麻纖維(JF,直徑為45～55 μm,長度為50～80 mm),銅陵華源汽車內飾材料有限公司;聚乳酸短纖(PLA,6.7 dtex×51 mm),上海德福倫化纖有限公司。

WDW-20萬能材料試驗機,長春科新試驗儀器公司;JUD-50擺錘式沖擊試驗機,承德聚源檢測設備制造有限公司;BSA623S-CW分析天平,賽多利斯科學儀器有限公司;HITACHI-S-4800掃描電子顯微鏡,日本日立公司。

1.2 黃麻纖維/聚乳酸短纖復合板的制備

將質量分數為60%的PLA短纖和40%的黃麻纖維按照圖1所示工藝流程圖制備黃麻纖維/聚乳酸短纖(JF/PLA)復合板,針刺加固采用280、300、320次/min 3種不同的針刺頻率,制備得到面密度分別為2.50、2.81和2.92 g/cm3的復合板,將JF/PLA復合板剪裁成所需尺寸備用。模壓成型時熱壓溫度為210～240 ℃,熱壓時間為150 s左右,成型壓力為3 MPa。其中,黃麻纖維與聚乳酸短纖平行于梳理方向排列為復合板縱向方向,黃麻纖維與聚乳酸短纖垂直于梳理方向為復合板橫向方向。

圖1 黃麻纖維/聚乳酸短纖復合板的制備工藝流程Fig. 1 Preparation process of JF/PLA composite sheets

1.3 測試與表征

斷面形貌分析:將試樣在液氮中淬斷,斷面經噴金處理后,采用掃描電子顯微鏡觀察JF/PLA復合板的微觀形貌。掃描電壓為10 kV。

拉伸強度測試:參照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》,采用萬能材料試驗機測試不同針刺頻率的JF/PLA復合板的拉伸性能。拉伸速度為10 mm/min,每種試樣測試6～10 次,結果取平均值。

沖擊強度測試:參照GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》,采用擺錘式沖擊試驗機測試不同針刺頻率的JF/PLA復合板的缺口沖擊強度。其中,V型缺口深度為2.54 mm,每種試樣測試5～8 次,結果取平均值。

彎曲強度測試:參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》,采用萬能材料試驗機測試不同針刺頻率的JF/PLA復合板的彎曲性能。每種試樣測試5～8 次,結果取平均值。

復合板的彎曲強度σ(MPa)采用下式計算:

式中:e為破壞載荷,N;L為跨距,mm;b為試樣厚度,mm;d為試樣寬度,mm。

吸水性測試:參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》,剪裁適當的尺寸,在室溫下將試樣浸漬在水槽中,試樣垂直于水平面,且始終保持水面高于試樣,使JF/PLA復合板與水槽底部保持一定的距離,以便試樣充分溶脹。將試樣浸泡24 h,擦去表面附著水后稱量,測試6個試樣,結果取平均值。

復合板的24 h吸水率采用下式計算:

式中:W為試樣24 h的吸水率,%;m0為試樣浸水前的質量,g;m1為試樣浸水24 h后的質量,g。

燃燒性能測試:參照GB/T 2408—2021《塑料 燃燒性能的測定 水平法和垂直法》進行水平燃燒試驗,對規定形態下的材料進行燃燒處理,根據材料的燃燒行為評價其燃燒性能。試樣尺寸為130 mm×130 mm×3.5 mm,同時要求邊沿光滑。試樣置于水平燃燒試驗臺的夾具上,使試樣保持在水平狀態,距試樣點燃端25 mm刻度處進行標記。從試樣的6.4 mm處接受火焰燃燒30 s后撤去火焰,若在30 s內燒到25 mm,則記錄所需的時間,計算燃燒速率。每組試樣最少測試5個試樣,選擇燃燒速率最大、燃燒長度最長的試樣作為判斷標準。

生物降解性能測試:首先將復合板裁剪成80 mm×10 mm×3.5 mm的試樣,將其充分干燥后,稱取試樣的初始質量M0,并掩埋于深度為10 cm的土壤環境(東經121°,北緯31°,上海)中,4個月后取出并用去離子水反復沖洗干凈,將其放置在50 ℃的烘箱中烘至恒重,稱取降解后試樣的質量M1,降解過程的質量損失率M采用下式進行計算。并采用掃描電子顯微鏡觀察生物降解前后試樣的表面形貌。

2 結果與分析

2.1 斷面形貌分析

圖2為不同針刺頻率的JF/PLA復合板淬斷面SEM照片?？梢钥闯?作為基體的PLA短纖均勻包覆在黃麻纖維的表面,黃麻纖維較為硬挺平滑,有溝槽,縱向呈條紋狀,含有多個腔胞,且每個腔胞都有中腔。當針刺頻率較小(280 次/min)時,黃麻纖維和PLA短纖之間相對蓬松,間隙較多(見圖2(a))。

圖2 不同針刺頻率的JF/PLA復合板不同放大倍數下的SEM照片Fig. 2 SEM images of JF/PLA composite sheets with different needle frequency.(a)280 times/min(×30);(b)280 times/min(×1 000);(c)300 times/min(×30);(d)300 times/min(×1 000);(e)320 times/min(×30);(f)320 times/min(×1 000)

隨著針刺頻率的增加,黃麻纖維與PLA短纖之間的纏結更加緊密(見圖2(e)),經熱壓后PLA基體對黃麻纖維的包覆、黏合能力加強,因此黃麻纖維作為增強體的作用得到更加充分的發揮。當針刺頻率提高到320 次/min時,PLA基體能夠更為充分地包覆浸潤黃麻纖維,但過于頻繁的針刺致使纖維單位面積內質量增加,纖維之間擠壓嚴重,纖網中的黃麻纖維甚至發生部分斷裂,這導致黃麻纖維承受外加載荷的能力下降,最終造成復合板力學性能的下降。

2.2 力學性能分析

在制備JF/PLA復合板的過程中,由于梳理機的方向性梳理作用,使得復合板的橫向和縱向差距較大,在應用方面也會有所不同。因此分別在橫向和縱向來分析JF/PLA復合板的力學性能。

2.2.1 拉伸性能分析

圖3為不同針刺頻率的JF/PLA復合板的拉伸性能測試結果圖。可以看出,隨著針刺頻率的增加,JF/PLA復合板的拉伸強度先升高后下降。當針刺頻率為300 次/min時,復合板的橫向和縱向拉伸強度均達到最大值,其中橫向拉伸強度為9.68 MPa,縱向拉伸強度為14.54 MPa。當針刺頻率進一步增加,拉伸強度均有不同程度的降低,這是由于提高針刺頻率使黃麻纖維和聚乳酸短纖更好地纏結在一起,導致蓬松的纖網更為緊密、空隙減少。但過高的針刺頻率使得纖網結構中部分纖維發生斷裂,尤其是黃麻纖維的斷裂會造成最終復合板力學性能的損失。

圖3 針刺頻率對JF/PLA復合板拉伸性能的影響Fig. 3 Influences of needling frequency on tensile properties of JF/PLA composite sheets. (a)Tensile strength; (b) Elongation at break

除此之外,還可以看到,復合板的縱向拉伸強度大于橫向拉伸強度,這是因為在梳理過程中,纖網結構中大部分的纖維長度方向和縱向所形成的夾角比較小。同時,針刺頻率的增加使得復合板的斷裂伸長率同樣也先升高后下降。當針刺頻率為300 次/min時,復合板在橫縱向的斷裂伸長率都達到最大,分別為3.62%和2.53%。

2.2.2 沖擊性能分析

圖4為不同針刺頻率JF/PLA復合板的缺口沖擊強度測試結果圖?？梢园l現,隨著針刺頻率的增加,JF/PLA復合板的沖擊強度也逐漸增加。當針刺頻率為300 次/min時,復合板的橫向和縱向缺口沖擊強度均達到最大,此時橫向缺口沖擊強度為8.58 kJ/m2,縱向缺口沖擊強度為9.54 kJ/m2。這是由于黃麻纖維是長纖維,隨著針刺頻率的增加,在黃麻纖維和PLA短纖之間、黃麻纖維之間的纏結點增多,在受到沖擊載荷時可吸收更多的沖擊能量,最終引起JF/PLA復合板抗沖擊性能的提高。但針刺頻率的進一步提高,復合板的沖擊強度同拉伸強度變化類似,呈現下降趨勢。

圖4 針刺頻率對JF/PLA復合板沖擊強度的影響Fig. 4 Influences of needling frequency on notched impact strength of JF/PLA composite sheets

2.2.3 彎曲性能分析

彎曲性能是維持復合材料使用性能的關鍵因素,也是汽車內飾用復合材料的主要力學性能指標之一。圖5為不同針刺頻率的JF/PLA復合板的彎曲強度測試結果圖?？梢钥闯?隨著針刺頻率的提高復合板的彎曲強度增加,當針刺頻率為300 次/min時,JF/PLA復合板的彎曲強度達到最高,但針刺頻率達到320 次/min時,多次的針刺加固使得黃麻纖維受到損傷,甚至發生斷裂,因此復合板的橫縱向彎曲強度均有明顯下降。

圖5 針刺頻率對JF/PLA復合板彎曲強度的影響Fig. 5 Influences of needling frequency on flexural strength of JF/PLA composite sheets

2.3 吸水性分析

用于汽車內飾的復合材料要求具有較低的吸水率,尤其是用作汽車頂棚或座椅材料,低吸水率能有效降低車用材料的老化速度,增加產品的使用壽命[18]。圖6為針刺頻率對JF/PLA復合板吸水性的影響圖?？梢钥闯?JF/PLA復合板的吸水率隨著針刺頻率的增加逐漸降低。當針刺頻率為320 次/min時,復合板的24 h吸水率為30%左右。這是因為針刺頻率的提高引起的纖網中黃麻纖維之間、黃麻纖維與聚乳酸短纖之間纏結的增多,在經過熱壓后使得復合板內部結構相對更加致密,孔隙率降低,且微孔結構分布相對均勻,從而使得吸水率隨之下降。

圖6 不同針刺頻率的JF/PLA復合板的吸水性與時間的關系曲線Fig. 6 Relationship between water absorption of JF/PLA composite sheets and different needling frequency and time

2.4 燃燒性能分析

評價汽車內飾材料的應用性能時,材料的阻燃性能必不可少[19]。表1列出不同針刺頻率的JF/PLA復合板的水平燃燒測試結果?？梢钥闯?針刺頻率分別為280、300和320 次/min的JF/PLA復合板的燃燒速度均小于38.1 mm/min,阻燃性能評定級別均可達到94 HB級。而且,隨著針刺頻率的增加,燃燒速率逐漸降低。這是因為較高的針刺頻率使得復合板的內部結構更為緊密,間隙尺寸減小,阻燃效果更好。

表1 不同針刺頻率的JF/PLA復合板的水平燃燒測試結果Tab. 1 Results of horizontal burning test for JF/PLA composite with different needling frequency

2.5 生物降解性能分析

研究天然植物纖維/PLA復合材料降解的方法有土埋降解、熱降解、酶降解和活性污泥法等,由于土埋降解是最常見的自然界降解方式,能實際反映PLA的自然界降解情況,因此本文采用土埋法,通過質量損失率和復合板的形貌結構觀察等方面研究復合板的生物降解性能。

在土埋4個月后,針刺頻率為280、300、320次/min的復合板質量損失率分別為17.0%、15.4%、13.3%,隨針刺頻率的增加,復合板的質量損失率逐漸下降。這是由于相同麻纖維含量的聚乳酸復合板,隨著降解時間的延長,界面粘結性被逐漸破壞,界面間的缺陷增多,土壤中的微生物更易進入材料內部使麻纖維以及聚乳酸基體發生降解,而針刺頻率高的復合板中麻纖維的網絡結構更為緊密,且麻纖維與聚乳酸基體之間的結合能力增大,因此自然界降解過程中被破壞的程度相對較弱,質量損失率因此有所降低。

圖7為JF/PLA復合板經過土埋4個月前后的表面SEM照片。在土埋前復合板的麻纖維表面形態較為干凈完整,溝槽較淺,黃麻纖維和基體PLA依附粘結,針刺頻率越高的復合板中黃麻纖維和基體之間結合更為緊密,而土埋4個月后,黃麻纖維的表面結構明顯變得粗糙,由圖7(a)可以看到,黃麻纖維纏結松散、蓬松,基體出現明顯的脫落,基體與麻纖維之間的粘結受到一定程度的破壞,很多單根纖維暴露,因此造成土埋過程中水分、微生物等對黃麻纖維及聚乳酸基體的降解破壞。由圖7(b)可以看出,部分黃麻纖維出現彎曲斷裂現象,而且纖維表面的溝槽有所加深。進一步觀察圖7(c)可以發現,附著在纖維表面的聚乳酸基體發生少量脫落,但過高的針刺頻率使得部分黃麻纖維出現斷裂現象。通過以上分析可知,針刺頻率的增加使得復合板的降解性能有所下降,這與降解過程中的質量損失率結果一致。

圖7 JF/PLA復合板經過4個月土埋前后的表面SEM照片Fig. 7 Surface SEM images of JF/PLA composite sheets after soil burial test for 4 months.(a)280 times/min(×300);(b)300 times/min(×300);(c)320 times/min(×300)

3 結 論

以黃麻纖維、聚乳酸短纖為原料,采用纖網模壓成型法制備了JF/PLA復合板,并探討了成型過程中針刺頻率對復合板材力學性能、吸水性、燃燒性能、生物降解性能等的影響,并得出如下結論。

1)針刺頻率的增加使得黃麻纖維之間的纏結更為緊密,但當針刺頻率過高時,部分麻纖維的斷裂將引起復合板材力學性能的下降,當針刺頻率為300次/min時,JF/PLA復合板的力學性能達到最佳,其縱向拉伸強度達到14.54 MPa,縱向彎曲強度則為33.02 MPa,縱向沖擊強度為9.54 kJ/m2。

2)針刺頻率對JF/PLA復合板的吸水率影響研究表明,隨著針刺頻率的增加,復合板的吸水率逐漸降低,當針刺頻率為320 次/min時復合板的24 h吸水率為30%左右。同時,燃燒速率隨針刺頻率的增加逐漸降低,且3種針刺頻率的復合板材的阻燃性能評定級別都能達到94 HB級。

3)針刺頻率的提高使得復合板生物降解速率下降。針刺頻率為280、300、320 次/min的復合板的質量損失率分別為17.0 %、15.4 %、13.3 %。