棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能研究

陈卉颖 孙 菲 张惠萍 晏 雄

(纺织面料技术教育部重点实验室、东华大学纺织学院，上海，201620)

棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能研究

陈卉颖 孙 菲 张惠萍 晏 雄

(纺织面料技术教育部重点实验室、东华大学纺织学院，上海，201620)

以棕榈纤维为增强材料，聚丙烯高聚物为基体，采用模压成型工艺制备复合材料。通过正交实验法分析各个工艺条件对复合材料力学性能的影响，以探求最佳工艺参数。

棕榈纤维，聚丙烯，正交实验

随着环境意识材料的提出，天然纤维由于具有环境友好、生物可降解等特性而备受关注，而天然纤维增强聚合物基复合材料具有价廉、质轻等优势，其研究与开发力度日益加强［1］。因此，天然纤维复合材料将在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。

近年来，相继从植物中开发了香蕉叶纤维、菠萝叶纤维、构树叶纤维和棕榈纤维等［2］。香蕉纤维粗短，其可纺性较其他麻类纤维差，但易于染色，适于纺中高档纱;菠萝叶纤维较柔软、强度大而伸长小，其可纺性能和成纱质量介于亚麻与黄麻之间;构树叶纤维光泽柔和、颜色洁白、有丝质外观，且吸湿性好，该纤维制成的织物将会有较好的穿着舒适性，其物理性能均表明该纤维具有较好的可纺性［3］。棕榈叶纤维强度高、断裂伸长率较大，约是剑麻纤维和菠萝叶纤维的4～6倍，初始模量与菠萝叶纤维接近［3］。棕片纤维刚度、强度、柔韧性适中，是一种较理想的骨架材料［4］。主要可用作垫材(如床垫材料、座靠垫材料)、缓冲材料、包装材料、过滤材料等［5］。

棕树是热带、亚热带作物，在我国的南方，棕树到处都有，是一种廉价的纤维资源。但是，长期以来棕榈用来制作蓑衣和棕绳，没有得到充分利用。目前已对棕榈纤维的理化性能有了初步研究［6］。棕榈纤维不受化学腐蚀作用的影响，并能在广泛的温度范围内抵抗不同强度的酸、碱及其类似物质的腐蚀作用。单根棕纤维是由许多棕纤维细胞紧密排列而成的，杂细胞极少，纤维细胞之间结合非常紧密，故在宏观上表现出整体性，不易分解或拉断。棕纤维细胞的宽度一般为十几微米，长度从几百微米到几千微米不等，壁腔比约为0.5，韧性良好，故棕纤维在宏观上也具有极好的弹性及韧性，甚至弯曲180°也不会折断。

本文利用棕榈纤维优良的力学性能，将其作为增强材料添加到聚丙烯基体中制备成复合材料，并对其相关参数影响棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能进行研究。

1 实验原料和设备

1.1 实验原料

棕榈纤维(国产山棕棕片纤维);聚丙烯(上海滋利工贸有限公司)。

1.2 实验设备

电子天平:EA2004A上海精天电子仪器有限公司;平板硫化机:XLB-400X400X2上海齐才液压机械有限公司;微机控制万能材料试验机:WDW-20上海华龙测试仪器公司。

2 实验方案设计

为考察硫化机热压工艺参数(包括热压时间、温度、压强)对复合材料力学性能的影响，选择拉伸强度、断裂伸长、弹性模量作为实验测试评价指标，热压时间、温度、压强作为因素，每个因素考查三个水平，进行三因素三水平正交实验。选用的正交表为L9(34)，该表表明最多可安排4个因素，只要安排9次实验即可。各因素及其水平设计如表1所示。

表1 因素及水平分配表

将山棕棕片用清水洗净，常温晾干后从中抽取出单根棕纤维，呈0°平行等距排列于两层聚丙烯薄膜之间，单层聚丙烯薄膜密度为0.93 g/cm2，纤维在预制件中的含量为6%。根据表2中的实验条件，采用模压工艺将预制件放在平板硫化机上热压成型，模具为平板敞开式。热压结束后将压片从硫化机中取出，在室温下自然冷却固化后，裁成140 mm×20 mm×1 mm的拉伸试样。用万能材料试验机进行拉伸试验，试样夹持的夹距为40 mm，拉伸速度为5 mm/min。

表2 试验方案及结果

3 实验结果与讨论

3.1 制备工艺参数对拉伸强度的影响

对表2的复合材料拉伸强度进行极差分析，结果见表3。其中K1、K2、K3分别为各因素各水平对应的拉伸强度值之和，k1、k2、k3分别为某一因素下各水平对应的拉伸强度平均值。3个因素对应的极差分别为 0.6、6.3、6.5。第二列和第三列极差相对较大，即因素B和因素C对复合材料的拉伸强度显著，硫化温度和压强分别取160℃和1.5 MPa最好;因素A对拉伸强度影响最小，结果显示时间取10 min最好，但三个时间参数对拉伸强度影响几乎一样。这也可以从图1所反映的因素趋势中明显看出来。各因子主次顺序依次为C、B、A。优化方案为 C2B3A3，即压强为 1.5 MPa，温度为160℃，时间为10 min。该方案与9号试验相吻合，试样9的拉伸强度为最高。

表3 拉伸强度极差分析

热处理对聚丙烯力学性能变化与其结晶结构变化关系密切，温度较高时聚丙烯充分熔融，内部分子结构和结晶度发生了变化，同时浸渍棕榈纤维增强体，在适当压力下冷却形成结构稳定、结晶度增大的材料。因此，当负荷加载于材料沿纤维排列的方向上时，由于棕榈纤维与基体紧密接触能够承担基体内的应力，且基体结晶度增大，强度增大，使得材料的拉伸强度得到提高。

3.2 制备工艺参数对断裂伸长率的影响

试样的拉伸强度仅反映的是其抵抗外界应力的能力，断裂伸长则体现了材料的韧性。因此，对强度有利的实验方案并不一定能使材料获得良好的韧性，需要对复合材料断裂伸长进行极差分析。结果见表4，各因素主次顺序依次为C、B、A，优化方案为C2B3A1，除了因素A(时间)取4 min与拉伸强度优化方案中A取10 min不一致外，其他两个因素所取水平值都一样。这是因为随着热压时间延长，聚丙烯基体能够充分熔融，流动浸渍棕榈纤维增强体，增加了纤维与基体界面紧密粘合的机会，且聚丙烯结晶度增加并趋于稳定，但过长的时间会使聚丙烯冲击强度下降，断裂伸长率下降［7］。

表4 断裂伸长率极差分析

由于优化方案C2B3A1没有出现在9个试样中，再对因素趋势进行直观分析，如图1所示。从因素变化的趋势表现来看，当热压时间取10 min时试样的断裂伸长率已经趋于稳定，且效果较好，断裂伸长率为32%。因此试样9与这个优化方案最接近，为C2B3A3，与拉伸强度的最优处理相吻合。

图1 拉伸强度因素趋势

3.3 制备工艺参数对弹性模量的影响

下面从弹性模量角度分析，进一步确定最佳工艺参数。根据表5分析图2的弹性模量因素趋势图可知，对指标影响最大的是因素B(热压温度)，以B3最好，其次是B2;因素C对指标的影响也很显著，当水平为C2时，模量值获得了大幅提高;因素A对指标的影响不明显，在三个水平下的弹性模量平均值变化不大。这与对拉伸强度和断裂伸长的分析不一致，热压温度成为影响弹性模量最重要的因素。在预制件的热压固化过程中，棕榈纤维并没有发生化学反应，起变化的只是聚丙烯基体，当设定的热压温度较高时，聚丙烯薄膜熔化速率加快，分子链之间的交联反应增多，分子量增大，在适当压强作用下，能够形成致密性高，缺陷少的制品并且具备较高的抵抗形变的能力。

表5 弹性模量极差分析

图2 断裂伸长率因素趋势

从极差分析中得出的优化方案为C2B3A2，即压强为1.5 MPa，温度为160℃，时间为7 min。该方案没有出现在9个方案中，但试样9与之最接近，即为 C2B3A3，模量在9个试样中最高，达到 4 020.5 MPa。

图3 弹性模量因素趋势

4 结论

综合棕榈纤维/聚丙烯复合材料拉伸强度、断裂伸长和弹性模量的结果分析，制备工艺参数的优化方案为 C2B3A3，热压温度(因素2)和压强(因素3)都是对该复合材料三项力学性能指标作用显著的因素，且根据相关图表分析一致得出，因素B和C分别取160℃、1.5 MPa对材料力学性能效果最好。因此在实际生产中，硫化热压温度不宜过低，压强不能太高，但是由于热压时间对材料力学性能的影响很小，可以考虑稍短点，这对于生产节省成本，降低能耗，具有一定的经济价值。

［1］刁均艳，潘志娟.黄麻、苎麻及棕榈纤维的聚集态结构与性能［J］.苏州大学学报(工科版)，2008，28(6):39-43.

［2］刘晓霞，茅琛.棕叶纤维性能研究［J］.上海纺织科技，2006，34(9):20-21.

［3］刘晓霞，徐慧卿.棕叶纤维强度和染色性能探讨［J］.上海工程科技大学学报，2007，21(1):78-82.

［4］蔡志奇.胶粘纤维弹性材料的开发应用［J］.中国胶粘剂，1995，4(4):25-28.

［5］曾昭乾，朱利军.棕榈纤维弹性材料产业现状与发展趋势［J］.应用科技，2006(1):23-24.

［6］张同华，李晓龙，程岚，毛龙.棕榈纤维的性能及其应用现状［J］.产业用纺织品，2010(6):35-38.

［7］徐涛，于杰，金志浩.热处理对聚丙烯结晶度及力学性能的影响［J］.贵州科学，1999，17(4):260-265.

Study on mechanical properties of palm fiber reinforced polypropylene composites

Chen Huiying，Sun Fei，Zhang Huiping，Yan Xiong
(The Key Lab of Textile Science and Technology，Ministry of Education;College of Textiles，Donghua University)

By using the palm fiber as reinforcement and polypropylene as matrix，a type of composites were prepared by compression molding process.The effect of process conditions on mechanical properties of composites was analyzed by orthogonal experimental method in order to explore optimum craft parameters.

palm fiber，polypropylene，orthogonal experimental method

TB332

A

1004－7093(2011)10－0027－04

2011－05－30

陈卉颖，女，1987年生，在读硕士研究生。主要从事纺织复合材料研究。

晏雄，E-mail:yaxi@dhu.edu.cn