三种植物纤维/聚丙烯复合材料的性能对比优化

付成龙，王新玲，崔 萍

(1. 成都航空职业技术学院，四川 成都 610100；2.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050)

近年来，随着环保概念的普及以及国家对于生态环境建设的要求，人们把复合材料的研究思路从玻璃纤维、碳纤维以及芳纶纤维等转移到了以价廉质轻、机械性能高、可回收、可生物降解、可再生等优良特性为代表的天然植物纤维增强复合材料。如今，天然纤维复合材料已经在各行各业大展身手，如为响应汽车轻量化制造的内饰材料，家居以及建筑行业。相关的专家学者对天然纤维复合材料的性能研究主要集中于织物结构方面，而对于其短纤维制备的复合材料板材研究较少[1-7]。鉴于此，本文分别以竹纤维、亚麻纤维、苎麻纤维作为增强材料，以热塑性树脂聚丙烯纤维作为基体材料，运用三因素三水平的正交设计方法，对不同植物纤维种类、模压工艺以及保温时间对植物纤维增强聚丙烯复合材料力学性能进行了研究分析，以期为相关领域研究者提供相关资料。

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

亚麻纤维、苎麻纤维和竹纤维，由兰州三毛股份有限公司提供；聚丙烯纤维，由甘肃纺织研究所提供。

QLB-25T 350×350×2平板硫化机，梳理机(双锡林双道夫)，YG026D-500型电子织物强力机，TP电子天平，架盘称重天平。

1.2 实验方案

分别将竹纤维、苎麻纤维、亚麻纤维与聚丙烯纤维进行开松混合均匀后，在梳理机上将其制成一定厚度的纤维网，按照250mm×200mm的规格铺满8层，每块纤维网的质量约为55g。并在模压机上按照要求制备复合材料平板。

利用正交设计方法，设计不同增强纤维种类(A)、不同模压温度(B)、不同保温时间(C)的实验方案，即三因素三水平表，见表1。

表1 3因素3水平因子水平表

1.3 性能测试及标准

1.3.1 拉伸性能

实验制备的复合材料试样的拉伸性能按照GB/T1446-2005和GB/T 1447-2005的方法在YG026D-500型的试验机上进行，拉伸速率为5mm/min，实验数据取5个试样的平均值。

1.3.2 顶破试样的制备

根据相关的实验研究可知[8-10]，试样进行顶破性能测试时有两种测试防范：圆头顶破和尖头顶破。本实验采用圆头顶破方式，即将复合材料板材加工成直径为60mm的圆形试样，在YG026D-500型的试验机上以50mm/min的速率进行测试进行，直至试样发生破坏，并记录相关实验数据。

2 结果与讨论

表2 天然纤维复合材料试验件的性能测试结果

2.1 各因素对复合材料板材断裂强度的影响

表3 复合材料拉伸性能的极差、优方案分析

从表2的正交实验的测试结果分析可知，对于三种植物纤维复合材料的拉伸断裂强度的影响因素结果的极差可知，RA=3.24，RB=3.71，RC=0.87，即RB>RA>RC，所以各因素对复合材料拉伸断裂强度的影响从主到次的顺序为：B(模压温度)，A(纤维品种)，C(保温时间)。

图1 各因素对断裂强度影响趋势图

为了直观反映出在本次实验中各工艺因子与复合材料拉伸断裂强度之间的关系，依据表2和表3做出散点图如图1所示。从图中可以看出，当增强纤维为亚麻纤维，模压温度为190℃，保温时间为20min时，复合材料的拉伸断裂强度最好。此外，通过实验数据的对比可知，模压温度对本次实验的拉伸断裂强度的影响最大。这是因为：温度的主要作用是促进PP的熔融、加速木质素的玻璃化以及提高试样板材中基体与增强体的黏结。在高温及长时间的保温作用下可能引起三种植物纤维中纤维素等降解的速率加快，会对增强材料的力学性能造成损失，进而影响复合材料板材的力学性能下降。

2.2 各因素对复合材料板材顶破强度的影响

表4 复合材料顶破性能的极差、优方案分析

从表4的正交实验的测试结果分析可知，对于三种植物纤维复合材料的顶破断裂强度的影响因素结果的极差可知，RA=5.71，RB=9.10，RC=6.08，即RB>RC>RA，所以各因素对复合材料顶破强度的影响从主到次的顺序为：B(模压温度)，C(保温时间)，A(纤维品种)。

图2 各工艺因子对顶破强度影响趋势图

为了直观反映出在本次实验中各工艺因子与复合材料顶破强度之间的关系，依据上页表2和上页表4做出散点图如图2所示。从图中可以看出，当增强纤维为亚麻纤维，模压温度为170℃，保温时间为40min时，复合材料的顶破强度最好。结合分析实验数据可知，模压温度对于本次实验顶破强度的影响最大。这是由于温度为170℃时，已经超过了本次实验聚丙烯的熔点133℃，已经能够实现其融熔并完成浸渍。热压时间的增加，增强体中的纤维素、木质素等脆性会增加，不利于顶破强度。此外，在顶破强度测试中，纤维与树脂基体共同承担载荷，由于本次实验的采用的短纤均匀混合制网，使得三种植物纤维与PP实现了均匀的混合，所以纤维种类对试样的顶破性能的影响最弱。

3 结论

综合各实验因素以及经济性分析，选择合适的增强体，可以使聚丙烯基体与增强体相容性提高，有利于复合材料性能的发挥。

(1)由极差分析可知，无论是拉伸性能，还是顶破性能，模压温度对复合材料的性能的影响最大，纤维的种类和模压保温时间对实验的影响因素较小；此外，纤维种类对于本次实验的拉伸性能的影响要大于顶破性能。

(2)由正交实验中的极差分析和优化方案综合分析可得最优实验方案为A2B2C2，即：模压保温时间为180℃，保温时间为40min，增强体为亚麻纤维。