聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料性能的研究

王 冰，張榮波，鄒漢濤

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聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料性能的研究

王 冰，張榮波，鄒漢濤*

(武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200)

亞麻是可降解纖維，通常用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。論文研究聚丙烯和亞麻的配比對針刺無紡布和復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、耐磨性、透氣性、保暖性等的影響。實(shí)驗結(jié)果表明：隨著亞麻含量的增加，針刺無紡布和復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、耐磨性、透氣性均下降，而保暖性增加；并且復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、耐磨性、保暖性較針刺無紡布都有大幅提高，透氣性則顯著下降。

亞麻；針刺；復(fù)合材料；熱軋；斷裂強(qiáng)度

1 引言

復(fù)合材料由來已久，早在2000多年前，我國的祖先就曾將秸稈混入泥漿中建造房子，直到如今現(xiàn)代建筑中的鋼筋混泥土等。而隨著時代的進(jìn)步，材料運(yùn)用的發(fā)展，1932年美國發(fā)明了玻璃纖維增強(qiáng)材料，標(biāo)志著近代復(fù)合材料的到來。從玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料直至納米復(fù)合材料[1]，可以說復(fù)合材料一直在迅猛發(fā)展。

但是隨著如今人們對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，人們漸漸認(rèn)識到合成材料回收困難，對環(huán)境的損傷較大，天然纖維這種可以回收、可生物降解等符合可持續(xù)發(fā)展要求的綠色材料又重新出現(xiàn)在人們的視野，以天然纖維為增強(qiáng)體的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也因此應(yīng)運(yùn)而生[2]，其以精美的外觀和良好的觸感成為復(fù)合材料界的寵兒[3]。天然纖維不僅來源廣泛能再生，而且由于密度低，它的比強(qiáng)度和比剛度較一般合成纖維較高，因而天然纖維增強(qiáng)材料也具有非常良好的機(jī)械性能[4]，適用的天然纖維也非常多，如棉、麻、竹、椰子纖維等等，Amir Nourbakhsh[5]等研究了楊木纖維濃度和混合溫度對楊木/PP復(fù)合材料機(jī)械性能的影響，表明，當(dāng)楊木纖維比例為30%，混合溫度在190℃時，復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度最大。天然纖維的基體一般為聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯，也有聚乳酸、聚酯纖維。例如Massimo Baiardo[6]等用亞麻增強(qiáng)Bionolle，發(fā)現(xiàn)將亞麻表面酰化，可以顯著提高Bionolle/亞麻復(fù)合材料的強(qiáng)度，并且與亞麻纖維相同的是，Bionolle也具有非常好的生物可降解性，所得到的復(fù)合材料可以很好的應(yīng)用在地膜等環(huán)境友好需求型產(chǎn)品中。但天然纖維聚丙烯基復(fù)合材料仍是天然纖維復(fù)合材料研究較多的方面，湖北工業(yè)大學(xué)的李學(xué)峰[7]等人將預(yù)處理的稻草、稻糠、木粉和甘蔗渣等與高密度聚乙烯和聚丙烯復(fù)合得到天然纖維聚烯烴復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)這4種復(fù)合材料的性能基本相近，并且以木粉復(fù)合材料的力學(xué)性能為最高。當(dāng)然也有向復(fù)合材料里面加入偶聯(lián)劑或是些功能性的阻燃劑、抗靜電劑等，如Rachasit Jeenchamp[8]等將APP，Zb，APP/Zb等阻燃劑加入劍麻/PP復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)這些阻燃劑的加入能顯著地提高劍麻/PP復(fù)合材料的阻燃性能和熱穩(wěn)定性而不損害其機(jī)械性能，并且阻燃劑能夠在劍麻纖維和PP基體間良好分布。

一般天然纖維增強(qiáng)材料是將纖維混合后熱壓成型，而利用非織造的生產(chǎn)工藝制造復(fù)合材料預(yù)材的研究還是很少。非織造針刺加固的方法利用刺針穿過纖網(wǎng)，使纖維束扎入纖網(wǎng)，通過纏結(jié)力和摩擦力保持纖維的三維分布，這樣的復(fù)合材料擁有良好的深度模壓成型性[9]。常見的熱塑性樹脂基復(fù)合材料的固化工藝有注射成型，擠出成型和熱塑性片狀模塑料熱沖壓成型[10]。本論文運(yùn)用針刺的方法，以亞麻為增強(qiáng)體通過熱軋制得聚丙烯/亞麻復(fù)合材料，討論了亞麻的配比對針刺無紡布和復(fù)合材料性能的影響。

2 實(shí)驗部分

2.1 原料與儀器

原料：亞麻，聚丙烯纖維。主要實(shí)驗儀器見表1

表1 主要實(shí)驗用儀器

2.2 聚丙烯/亞麻無紡布及其復(fù)合材料的制備

(1)聚丙烯/亞麻無紡布的制備：分別稱量配比為100∶0，90∶10，80∶20，70∶30，60∶40的聚丙烯/亞麻纖維，將纖維進(jìn)行混合、開松、梳理、鋪網(wǎng)，然后送入針刺機(jī)，設(shè)置鋪網(wǎng)層數(shù)為22層，針刺頻率為443r/min，制得針刺無紡布。

(2)聚丙烯/亞麻復(fù)合材料的制備：無紡布經(jīng)熱軋機(jī)在4MPa、170℃下熱軋，得到聚丙烯/亞麻復(fù)合材料。

2.3 樣品表征

按GB/T3820《紡織品和紡織制品厚度的測定》測厚度；用電子天平測質(zhì)量；按FZ/T60005-1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長的測定》測斷裂強(qiáng)力；按GB/T17636-1998《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品 抗磨損性能的測定 砂布/滑塊法》測耐磨性；按GB5453-1985《紡織品 織物透氣性的測定》測透氣性；按GB10048-89《紡織品保暖性能試驗方法》測克羅值。

3 結(jié)果與分析

3.1 厚度和平方米克重

圖1、圖2分別是不同配比針刺無紡布和復(fù)合材料的厚度、平方米克重變化圖。可以看到，隨著亞麻配比的增加，針刺無紡布和復(fù)合材料的厚度和平方米克重變化不明顯。較無紡布而言，復(fù)合材料厚度下降近80%，平方米克重卻有稍微增加，即表明熱軋使復(fù)合材料中蓬松的聚丙烯變得致密結(jié)實(shí)。這是因為在170℃已達(dá)到聚丙烯的熔點(diǎn)，因而熱軋施加了一定壓力后，部分聚丙烯熔融粘合，產(chǎn)生收縮，復(fù)合材料厚度下降、平方米克重增加，變得薄而致密。

圖1 聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的厚度

圖2 聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的平方米克重

3.2 斷裂強(qiáng)力

圖3是不同配比針刺無紡布和復(fù)合材料斷裂強(qiáng)力的變化圖。從圖中可知得知，隨著亞麻的加入，針刺無紡布的斷裂強(qiáng)力逐漸減小，而復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力則是先增大后減小，且在亞麻含量為10%達(dá)到最大。熱軋前，純聚丙烯針刺無紡布的斷裂強(qiáng)力最大，而且無紡布的斷裂強(qiáng)力隨著亞麻的加入而減小，說明此時作用在無紡布上的應(yīng)力并不能傳遞到亞麻上，因為亞麻與聚丙烯之間只是簡單的混合，拉伸斷裂主要是聚丙烯纖維的斷裂，因而斷裂強(qiáng)力逐漸減小。熱軋后，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力先增大后減小，并在亞麻含量為10%時最大。而且亞麻含量為40%時復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力382N比熱軋后純的聚丙烯針刺無紡布的斷裂強(qiáng)力278N增大了37%，可知亞麻作為增強(qiáng)體增強(qiáng)了復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力。這時的斷裂機(jī)理則是聚丙烯與亞麻的斷裂，因為熱軋使聚丙烯熔融，增大了其與亞麻之間的界面結(jié)合作用，復(fù)合材料上的應(yīng)力能夠傳遞到亞麻上，并且由于亞麻的強(qiáng)度和模量均比聚丙烯大，所以表現(xiàn)出強(qiáng)力明顯的增加。而隨著亞麻含量的增加，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力先增大后減小，說明亞麻的量對斷裂強(qiáng)力的增加并非是無限制的，也存在一個臨界值，當(dāng)超過這個臨界值時，亞麻和聚丙烯之間的界面結(jié)合層太厚，影響了應(yīng)力的傳遞，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)力又下降。

圖3 聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力

圖4 聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的耐磨性

3.3 耐磨性

圖4是不同配比針刺無紡布和復(fù)合材料耐磨性變化圖。可以看到，耐磨性的變化與斷裂強(qiáng)力的變化相似。熱軋前，針刺無紡布耐磨性呈下降的趨勢；熱軋后復(fù)合材料耐磨性增加176%-255%，但隨著亞麻配比的增大，耐磨性逐漸減小。這是因為耐磨性與單纖維強(qiáng)力，纖維間抱合、摩擦、纏結(jié)、粘合有關(guān)，而這些又與復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力密切相關(guān)，所以其變化規(guī)律也與斷裂強(qiáng)力的相似。不但如此，還可以看到，復(fù)合材料的耐磨性增加的幅度比斷裂強(qiáng)力大了近40%，也即熱軋后復(fù)合材料耐磨性能提升更大。

3.4 透氣性

圖5 聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的透氣性

圖6 聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的克羅值

圖5是不同配比聚丙烯/亞麻針刺無紡布和其復(fù)合材料的耐磨性。隨著亞麻含量的增大，透氣性是下降的。熱軋前，針刺無紡布的透氣性隨著亞麻的增加逐漸減小。而透氣性主要與織物孔隙大小和多少有關(guān)，純聚丙烯針刺無紡布間纖維纏結(jié)良好，所以針刺孔洞多而且大；在加入亞麻后，因為亞麻與聚丙烯之間的界面作用小，纏結(jié)不夠，部分亞麻隨機(jī)的分散在聚丙烯中，阻礙了空氣流通，導(dǎo)致透氣性下降。熱軋后，復(fù)合材料的透氣性急劇下降。例如在亞麻含量為10%，透氣量從1915.9mm/s降到420.9mm/s，下降了約78%。這是因為熱軋使部分聚丙烯熔融粘結(jié)，堵塞或減小了原來的孔洞，導(dǎo)致透氣性減小。

3.5 保暖性

圖6是不同配比針刺無紡布和復(fù)合材料保暖性變化圖。保暖性的變化規(guī)律與透氣性相符，一般來說透氣性越大，保暖性越小。熱軋前，針刺無紡布的克羅值隨著亞麻的加入而增大，保暖性變好；熱軋后，復(fù)合材料的克羅值增加2-3倍多，并且隨著亞麻的增加，克羅值繼續(xù)增大。這是因為熱軋前針刺無紡布由于經(jīng)過刺針刺入留下孔洞，導(dǎo)致保暖性差。而且隨著亞麻的加入，亞麻短纖維與聚丙烯纖維間作用力更弱，孔隙更大，因此保暖性下降。熱軋后，纖維間纏結(jié)粘合增大，纖維間孔隙減少，能透過的空氣減少，因而保暖性增大。

4 結(jié)論

本文主要研究了配比對聚丙烯/亞麻針刺無紡布及其復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、耐磨性、透氣性和保暖性的影響，分析相關(guān)數(shù)據(jù)及圖表得到以下結(jié)論

(1)亞麻的加入使針刺無紡布的斷裂強(qiáng)力、耐磨性、透氣性下降，這是因為亞麻為短纖維，加入后使纖維間的纏結(jié)減弱，而正是這樣其結(jié)構(gòu)變得更為蓬松，能夠保持更多的靜止空氣，保暖性增加。

(2)聚丙烯/亞麻復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力、耐磨性是隨著亞麻的加入先增大后減小，且當(dāng)亞麻含量為10%時，達(dá)到最大。這是因為聚丙烯與亞麻界面結(jié)合良好，能夠?qū)?yīng)力傳遞到亞麻上，但亞麻的加入也是存在臨界值的，當(dāng)繼續(xù)加入亞麻時，亞麻與聚丙烯結(jié)合面厚度增加影響了應(yīng)力的傳遞，斷裂強(qiáng)力等也下降。

(3)聚丙烯/亞麻復(fù)合材料較其無紡布而言，斷裂強(qiáng)力有135%-181%的增加，耐磨性更是增加了176%-255%，這說明亞麻作為纖維增強(qiáng)材料能夠起到非常好的增強(qiáng)效果。

[1] 陳博．復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀要略[J]．高科技纖維與應(yīng)用，2012，37(6)：53．

[2] 劉海燕．國外工業(yè)用增強(qiáng)材料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．玻璃纖維，2004，(3)：40．

[3] 陳玲．木材和天然纖維復(fù)合材料成為新寵[J]．國際木業(yè)，2016，(2)：46．

[4] 王廣峰，王泓．天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[J]．天津紡織科技，2002，40(4)：33．

[5] Amir Nourbakhsh，Alireza Ashori．Fundamental studies on wood–plastic composites：Effects of fiber concentration and mixing temperature on the mechanical properties of poplar/PP composite[J]．Polymer Composites，2008，29(5)：569-573．

[6] Massimo Baiardo，姜兆輝．亞麻/聚酯復(fù)合材料[J]．合成纖維，2011，(4)：42-47．

[7] 李學(xué)峰，閆晗，胡波．聚烯烴/天然纖維復(fù)合材料的研究[J]．湖北農(nóng)業(yè)科技，2011，50(16)：3377．

[8] Rachasit Jeencham，Nitinat Suppakarn，Kasama Jarukumjorn．Effect of flame retardants on flame retardant，mechanical，and thermal properties of sisal fiber/polypropylene composites[J]．Composites Part B：Engineering，2014，56：249-253．

[9] 蘭紅艷，靳向煜．天然纖維非織造物增強(qiáng)復(fù)合材料概述[J]．中國麻業(yè)科學(xué)，2007，29(1)：46．

[10]代少俊．高性能纖維復(fù)合材料[M]．上海：華東理工大學(xué)出版社，2013．189．

Study on the Properties of Polypropylene and Flax Composite Nonwoven

WANG Bing，ZHANG Rong-bo，ZOU Han-tao

(School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

Flax is a biodegradable fiber, which is usually used as reinforcement to enhance the intensity of PP nonwoven. The effect of fiber content on properties which are breaking strength, abrasion resistance, breathability and warmth retention of nonwoven and composite was investigated. Experimental results show that the breaking strength, abrasion resistance and breathability decrease while the warmth retention property does the opposite along with the increasing of flax in nonwoven and composite. Compared with nonwoven, the breaking strength, abrasion resistance and warmth retention of composite all had significant increase, however, the breathability decreased.

flax; needle-punched; composite; hot-rolling; breaking strength

TS174.6

A

2095－414X(2017)03－0008－04

鄒漢濤（1976-），女，教授，研究方向：非織造布及其應(yīng)用.

國家自然科學(xué)基金(51303139).