黃麻原纖非織造布增強(qiáng)PHBV復(fù)合材料工藝優(yōu)化

王劍英，奚柏君

采用黃麻纖維制備的增強(qiáng)復(fù)合材料已在汽車、建筑等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用[1-6]，為提升其復(fù)合材料的性能，通常會(huì)對(duì)黃麻纖維進(jìn)行各種表面處理[7-12]。雖然處理后的黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的相關(guān)性能有了一定提升，但其處理過(guò)程一方面會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，另一方面會(huì)增加企業(yè)生產(chǎn)成本。本文以未處理黃麻原纖維非織造布為增強(qiáng)材料來(lái)制備復(fù)合材料，通過(guò)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而提升黃麻原麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

材料:聚羥基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)(寧波天安生物材料有限公司);黃麻原麻纖維(浙江雙綠紡織有限公司)。

試驗(yàn)儀器:FA2104SN型電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司);101-1型恒溫干燥箱(上海東星建材有限公司);Instron-5566萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)英斯特朗公司)。

1.2 黃麻原麻纖維針刺非織造布制備

黃麻原麻纖維針刺非織造布制備工藝流程:

黃麻原麻纖維→開(kāi)松(WL-GK-1-60型開(kāi)松機(jī))→給棉(WL-J-500型給棉機(jī))→梳理(WL-GS-A-600型梳理機(jī))→鋪網(wǎng)(WL-GP-C-700-800型鋪網(wǎng)機(jī))→進(jìn)料(WL-800型進(jìn)料機(jī))→預(yù)針刺(WL-ZGS.Z-Y-800型預(yù)針刺機(jī))→針刺(WL-ZGS.Z-Z-800型針刺機(jī))→成卷(WL-800型成卷機(jī))→黃麻原麻針刺非織造布。

1.3 黃麻原纖維非織造布/PHBV復(fù)合材料制備

通過(guò)熱壓工藝(XLB-350*350*2型平板硫化機(jī))將黃麻原麻纖維針刺非織造布與PHBV制備成復(fù)合材料，并選取黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比(A)、熱壓溫度(B)、熱壓時(shí)間(C)、熱壓壓強(qiáng)(D)4個(gè)因素做正交試驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)水平如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)四因素四水平表

1.4 測(cè)試方法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用Instron-5566萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試黃麻增強(qiáng)PHBV復(fù)合材料的拉伸性能，測(cè)試隔距50 mm，拉伸速度10 mm/min[13]。

2 結(jié)果與討論

通過(guò)正交試驗(yàn)制備的黃麻原纖針刺非織造布/PHBV復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試值，如表2所示。

在熱壓壓強(qiáng)11 MPa，熱壓時(shí)間5 min，熱壓溫度175℃工藝條件下，通過(guò)熱壓工藝壓制純PHBV板材一塊，并測(cè)試出其拉伸斷裂強(qiáng)度為18.915 MPa，以此為對(duì)比樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。

將純PHBV板材的拉伸斷裂強(qiáng)度與表2中各實(shí)驗(yàn)方案下的復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度對(duì)比，可看出除了實(shí)驗(yàn)方案A1B1C1D1復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度略低外，其他實(shí)驗(yàn)方案下制備的復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度均高于PHBV板材的拉伸斷裂強(qiáng)度，且其超出水平在26.26%～222.5%不等。這表明將黃麻原麻纖維針刺非織造布作為增強(qiáng)材料加入到PHBV中，并通過(guò)熱壓工藝壓制成復(fù)合材料后，其拉伸斷裂強(qiáng)度的增強(qiáng)效果是比較明顯的。

從表2中4因素的極差值可知，影響黃麻原麻纖維針刺非織造布增強(qiáng)PHBV復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度的主次順序?yàn)?黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比是主因，其次是熱壓壓強(qiáng)、熱壓時(shí)間、熱壓溫度，即A→D→C→B。

由表2中各因素的均值可知，對(duì)復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度供獻(xiàn)，黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比水平4最好。熱壓溫度水平1最好，熱壓時(shí)間水平2最好，熱壓壓強(qiáng)水平4最好，因此其最優(yōu)組合工藝為A4B1C2D4，即黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比40/60，熱壓溫度165℃，熱壓時(shí)間4 min，熱壓壓強(qiáng)14 MPa。

為驗(yàn)證最優(yōu)工藝下的黃麻原麻纖維針刺非織造布增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是否最優(yōu)，采用上述最優(yōu)工藝方案來(lái)制備黃麻原麻纖維針刺非織造布增強(qiáng)PHBV復(fù)合材料，并測(cè)試其拉伸斷裂強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 最優(yōu)化方案驗(yàn)證結(jié)果

從表3可知，在最優(yōu)工藝組合下制備的復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度要高于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中最好方案下的復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度。為對(duì)比分析最優(yōu)工藝下純PHBV板材的拉伸強(qiáng)度，在方案A4B2C3D3下制備了純PHBV板材，并測(cè)得其拉伸斷裂強(qiáng)度為17.269 MPa;這與方案A4B1C2D4工藝條件下制備的黃麻原麻纖維針刺非織造布增強(qiáng)PHBV復(fù)合材料相比，后者的拉伸斷裂強(qiáng)度要高出285.09%。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在PHBV中加入黃麻原麻纖維針刺非織造布增強(qiáng)材料能夠明顯改善其力學(xué)性能，對(duì)復(fù)合材料拉伸斷裂強(qiáng)度影響最大的工藝因素是黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比，其余工藝因素的影響較小。

(2)由正交試驗(yàn)得到的復(fù)合材料最佳生產(chǎn)工藝為黃麻原麻纖維針刺非織造布/PHBV配比40/60，熱壓溫度165℃，熱壓時(shí)間4 min，熱壓壓強(qiáng)14 MPa;在此工藝下制備的黃麻原麻纖維針刺非織造布增強(qiáng)PHBV復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度可達(dá)到66.501 MPa。

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