黃麻氈/PP膜復合汽車內飾材料的制備及工藝優化

陳 超, 于 永 玲, 呂 麗 華, 劉 潤 華

(大連工業大學 綠色纖維應用技術研究所, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

天然植物纖維黃麻纖維具有成本低、比強度高、比模量高、可降解等優點廣受研究界的厚愛[1]。PP是一種密度較輕的熱塑性塑料,有較高的極限使用溫度,可以回收利用,且價格較低[2]。采用黃麻氈和PP復合制備的復合材料不僅能達到環保要求,還具有質輕、強力高、韌性好、不易變形、成本低等特點。黃麻氈/PP復合材料可以用于汽車的門板、后擱物箱、行李箱側圍、高架箱、頂篷、支柱、座椅靠板等內飾材料,不僅能滿足強力要求,還能減少汽車本身的質量,節約能源,符合低碳環保趨勢[3]。

目前國內外對于黃麻/PP復合的研究比較多,一般采用的都是混煉或擠塑模壓成型,但是對于層壓法研究的相對較少[4-5]。本文黃麻氈/PP的復合正是采取層壓法,整個過程在真空條件下進行,克服了傳統層壓法易產生氣泡、分層嚴重的缺點,并且相比模壓法制備簡單快速,大大提高了生產效率[6]。本文主要探討了熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時間等工藝條件對復合材料拉伸強度和彎曲強度的影響,并得出了最優化工藝參數。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

材料:黃麻氈(厚度2 mm),PP薄膜(厚度0.6 mm),NaOH,分析純。

儀器:QLB63手動真空平板硫化機,RGT-5萬能制樣機,RG微機控制電子萬能試驗機。

1.2 樣品制備

1.2.1 材料預前處理

將黃麻氈烘干置于一定質量分數的NaOH溶液中,常溫下浸漬1 h,處理完畢后用稀酸溶液、清水洗滌至中性,然后將其置于80 ℃的烘箱中烘干,取出后做成20 cm×20 cm的樣品氈裝入密封袋保存,同時將PP薄膜做成20 cm×20 cm樣品放入密封袋中以備用。

1.2.2 熱壓工藝

將已備好的PP膜和黃麻氈稱重,按照一定的質量配比交替鋪層,鋪層順序是PP膜做上下表面層,中間PP膜與黃麻氈層間隔鋪放,鋪層時要求均勻,以降低層間應力,避免分層。PP膜為7層,黃麻氈為6層,共13層。將鋪設好的層樣放入模具中,制樣厚度設為 3 mm,然后將模具放入熱壓機中進行壓制,完成后冷卻脫模。

1.3 力學性能測試標準

將不同條件下制備的樣板進行修正處理,按照標準在RGT-5萬能制樣機制備所需樣條,將樣條放置在標準大氣條件下平衡24 h,然后放在RG微機控制電子萬能試驗機進行性能測定。拉伸性能測試按GB/T 1447—2005進行,試樣長度180 mm,夾頭的夾持距離115 mm,拉伸試驗速度10 mm/min；彎曲性能測定按GB/T 1449—2005進行,試樣規格80 mm×10 mm,試驗跨距64 mm,彎曲試驗速度10 mm/min。

2 結果與討論

2.1 正交試驗設計及結果分析

通過正交試驗結果分析熱壓工藝參數,在進行試驗設計時固定以下條件:(1)m(PP) ∶m(黃麻)=40∶60；(2)黃麻氈用質量分數為5%的NaOH溶液處理；(3)熱壓過程在抽真空中進行。在此條件下,為了確定各個工藝因素對復合材料力學性能的影響主次順序,以拉伸強度和彎曲強度為指標,將熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時間3個因素進行L9(33)正交試驗,結果如表1所示。工藝參數對復合材料拉伸強度影響的主次順序為A>B>C,即熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓時間；對彎曲強度影響因素主次順序為A>C>B,即熱壓溫度>熱壓時間>熱壓壓力。在所有因素中,對拉伸強度和彎曲強度影響最大的都是熱壓溫度。

2.2 工藝參數單因素分析

2.2.1 熱壓溫度

表1 正交試驗結果

當熱壓時間為9 min,熱壓壓力8 MPa,拉伸強度和彎曲強度的測試結果見圖1。從圖1中可以看出復合材料的力學性能迅速提升后急劇降低。開始熱壓溫度較低,樹脂內部大分子熱運動相對較小,流體的黏度系數較大,不利于樹脂對黃麻氈的浸潤,導致復合材料強力相對較低。但是隨著溫度升高,黏度系數降低,樹脂更容易深入纖維間的空隙,增加了纖維間的摩擦阻力,并與纖維間形成一個良好的力學界面,從而提高材料的力學性能。溫度達到180 ℃時復合材料的拉伸強度和彎曲強度最大,分別是27.82和98.33 MPa,之后再提高溫度,不但會使黃麻本身的力學性能受到破壞程度加劇,同時也會使樹脂流體黏度過小,不利于內部力學界面的形成,從而會降低復合材料的力學性能。從圖1可知,彎曲強度和拉伸強度的熱壓最優工藝都是180 ℃。

圖1 溫度對復合材料力學性能的影響

Fig.1 Effect of temperature on the mechanical properties of composites

2.2.2 熱壓時間

當熱壓溫度為180 ℃,熱壓壓力8 MPa,拉伸強度和彎曲強度的測試結果見圖2。從圖2可以看出復合材料的力學性能迅速提升后緩慢降低。在熱壓過程中,樹脂浸潤黃麻氈內部并與纖維成一個較好的力學界面,需要一定的時間,如果時間過短,則浸潤不完全,復合材料就會產生局部強力不勻的現象,從而造成整體力學性能的下降。當達到一定時間后,樹脂浸潤完全,并形成良好的界面,此時即使增加熱壓時間,復合材料的力學性能也不會提高,反而時間過長會對黃麻的本身的力學性能造成破壞。從圖2中可以看出,拉伸強度的最大值出現在9 min處,彎曲強度的最大值出現在12 min處,為提高生產效率并節約能源,最優時間取9 min。

圖2 時間對復合材料力學性能的影響

Fig.2 Effect of time on the mechanical properties of composites

2.2.3 熱壓壓力

當熱壓溫度為180 ℃,熱壓時間9 min,拉伸強度和彎曲強度的測試結果見圖3。從圖3中可以看出,復合材料的力學性能先迅速提升后趨向于平緩。從圖4可以看出,黃麻氈本身內部纖維排列較為緊密,如果壓力太小,樹脂無法浸潤黃麻氈內部,就會使黃麻氈局部出現空隙現象,造成整體復合材料的力學性能下降。當壓力達到一定界限時,即使提高熱壓壓力,復合材料的力學性能也不會有太大變化。從圖3中可以看出,拉伸強度的最大值出現在熱壓壓力為8 MPa處,彎曲強度的最大值出現在熱壓壓力為10 MPa處。從8 MPa以后增加熱壓壓力對拉伸強度影響不大,但是可以讓彎曲強度得到最大的提高,所以最優壓力選取10 MPa,此時復合材料的拉伸強度是27.58 MPa。

圖3 壓力對復合材料力學性能的影響

Fig.3 Effect of pressure on the mechanical properties of composites

3 結 論

工藝參數對復合材料拉伸強度影響的主次順序為:熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓時間,對彎曲強度影響的先后順序為:熱壓溫度>熱壓時間>熱壓壓力,在所有因素中,熱壓溫度對拉伸強度和彎曲強度的影響最大。當PP膜與黃麻氈質量比為40∶60時,所制備復合材料的拉伸強度和彎曲強度在工藝條件為熱壓溫度180 ℃、熱壓壓力10 MPa、熱壓時間9 min時最優,此時復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別是27.58和101.89 MPa。

[1] 王春紅,王瑞,沈路,等. 亞麻落麻纖維/聚乳酸基完全可降解復合材料的成型工藝[J]. 復合材料學報, 2008, 25(2):63-67.

[2] 鄔國英,林西平,馬風君,等. 汽車用木粉/聚丙烯復合板的研制[J] . 木材工業, 2007, 21(1):27-29.

[3] 曲麗君. 麻纖維在汽車用裝飾材料中的應用[J]. 產業用紡織品, 2002, 20(8):36-38.

[4] OKAMAN K, MATHEW A, JOSEPH K. The influence of fiber microstructure on fiber breakage and mechanical properties of natural fiber reinforced polypropylene[J]. Composites Science and Technology, 2009, 69(11/12):1847-1853.

[5] 沈巨磊,于永玲,呂麗華. 基于廢棄混紡纖維循環利用的板材成型技術及其性能[J]. 紡織學報, 2010, 31(1):28-31.

[6] FUNG W. 涂層和層壓紡織品[M]. 顧振亞,朱家嶸,田俊瑩,譯. 北京:化學工業出版社, 2006:31-96.