正交实验法研究香蕉纤维/环氧树脂复合材料的性能

庞锦英，莫羡忠，刘钰馨，杨 芳

（广西师范学院化学与生命科学学院，广西 南宁 530001）

近年来,天然植物纤维作为增强材料的潜在优势越来越引起人们的注意。它资源丰富,价格低廉，密度比所有无机纤维都小,而模量和拉伸强度与无机纤维相近。植物纤维复合材料加工时耗能少,对加工设备的损耗小,有利于节约能源，而它最突出的优点是具有生物降解性和可再生性,这是其他增强材料无法比拟的[1]。环氧树脂(EP)在各种包装材料、涂料、土木、建筑、胶粘剂、电子及航空等领域中获得了广泛的应用，普通EP的氧指数仅为19.8%左右,属于易燃物质。因此提高材料的阻燃性能成为迫切需要解决的问题。

目前，国内常见的阻燃剂大多是含卤阻燃剂或由聚磷酸盐、多元醇及含氮化合物等组成的混合阻燃剂。含卤阻燃剂具有发烟量大、毒性大的缺点，其应用受一定限制[2-4]；而混合型阻燃剂用量多，热稳定性较差，水溶性好，耐老化性差，对基材有可能产生腐蚀作用。新型三聚氰胺焦磷酸盐自膨胀阻燃剂无卤、低烟、低毒[5]，与被处理的涂料能够很好地相容，且对其性能影响很少；受热可分解放出水和三聚氰胺起阻燃作用，并可发生P-N协同阻燃效应，能生成均匀致密的炭质层，具有良好的隔热、隔氧、阻燃和抑烟作用，并可有效阻止滴落现象，防止火焰的传播和蔓延，并且季戊四醇和纤维都是良好的成炭剂。

本文采用MPP、PER按照不同的配比和不同的含量加入到环氧树脂中，和水性阻燃液处理后的纤维制备成香蕉纤维/环氧树脂复合材料，找出最佳配方后再与添加其他阻燃剂的复合材料比较力学性能和燃烧性能。

1 实验部分

1.1 主要原料及仪器

环氧树脂E-44和低分子量聚酰胺树脂650（工业品），三聚氰胺焦磷酸盐（MPP，AR），季戊四醇（PER，AR），氢氧化镁（AR），氢氧化铝（AR），三聚氰胺磷酸盐（AR），聚磷酸铵（AR）。

CZF-3型水平垂直燃烧测定仪，JF-3型氧指数测定仪，XWW型万能试验机。

1.2 试样的制备

1.2.1 香蕉纤维的阻燃处理

对偶联剂A-174处理过的纤维进行阻燃处理[6-7]：按比例取一定量原料（硫酸铵5.30%、磷酸二氢铵20.21%、硼酸5.30%和水69.20%）混合,把偶联处理过的纤维放入已配制好的阻燃混合液中浸泡40min，一共浸泡3次，用适量的磷酸三丁酯每隔30min喷1次，一共喷3次，烘干。

1.2.2 复合材料的制备

阻燃香蕉纤维/环氧树脂复合材料的制备方法：将环氧树脂E-44、低分子量聚酰胺树脂 650、乙醇、邻苯二甲酸二丁酯、咪唑等原料混合均匀再加入阻燃的香蕉纤维，搅拌均匀，然后放入真空干燥箱中抽真空后放置大约0.5h后取出，然后把混合物倒入事先做好的模具中,在一定压力下室温固化24h脱模，室温放置7d后进行相关试验,测试力学性能和燃烧性能。

1.3 复合材料的性能测试

拉伸性能按照GB/T 1040测试，氧指数(LOI)按照GB/T 2406测试，垂直燃烧按照GB 2408测试。

2 结果与讨论

采用L9(34)三水平正交表安排试验[8-11]。本试验主要考察纤维的长度、纤维的含量、阻燃剂的含量、阻燃剂的配比4个试验因素对复合材料的燃烧性能和力学性能的影响。

2.1 正交试验及结果

正交试验因素水平表见表1，复合材料的正交试验方案见表2，复合材料的力学性能和燃烧性能测试结果见表3。

表1 正交试验因素水平表

表2 复合材料的正交试验方案

表3 复合材料的力学性能和燃烧性能

2.2 极差分析

极差分析方法, 是利用数理统计方法计算出正交表中每列的极差R 值, 来判断因素的主次关系。根据极差值的大小， 可以判断各因素对实验结果影响的大小，判断的原则是： 极差越大，所对应的因子作用越显著。

从数据分析，阻燃效果和强力的关系是成反比的。因此要把2个主要参数影响的重要性主次顺序统一起来是办不到的。综合以上各个因素，由于正交的9个试样中，除了D7的氧指数为31.6外，其余试样的氧指数都超过了32，垂直燃烧均达到UL94V-0级，因此，应着重考虑复合材料的力学性能。由于纤维的增强作用，复合材料的力学性能都高于环氧树脂，但效果最好的应为纤维的长度为5mm，纤维质量为总质量的10%，阻燃剂的质量为环氧树脂质量的40%，阻燃剂中MPP和PER的配比为3∶1时，因此最佳的配方为A1B1C2D2。

表4 复合材料的拉伸强度极差分析

表5 复合材料的氧指数极差分析

2.3 添加不同阻燃剂的复合材料的制备和性能研究

根据以上得出的最佳配方制备成复合材料，在纤维长度、阻燃纤维含量、阻燃剂含量都相同的情况下，添加不同种类的阻燃剂后制备成复合材料，比较它们的燃烧性能和力学性能，其中，A、B配方中的阻燃剂比例均为它们的最佳比例[12-13]。

表6 添加不同阻燃剂的复合材料的配方

表7 添加不同阻燃剂的复合材料的力学性能和燃烧性能

图1 阻燃香蕉纤维/环氧树脂复合材料的拉伸断面形貌图

从表7中得出，添加了阻燃剂MPP和季戊四醇的配方C拉伸强度均远远高于配方A和配方B，但配方A的氧指数没有达到难燃级。配方B的拉伸强度均低于配方C，综合力学性能和燃烧性能，配方C的效果是最好的。从图1的拉伸断面也可以看出，配方C几乎没有纤维拔出，而配方A和配方B中都有少量的纤维拔出，说明香蕉纤维与环氧树脂基体之间的界面结合是良好的。当最佳配方纤维的长度为5mm，纤维质量为总质量的10%，阻燃剂的质量为环氧树脂质量的40%，阻燃剂中MPP和季戊四醇的配比为3∶1时，制备出来的复合材料的拉伸强度为20.45MPa，比表3中的19.75MPa略高，氧指数达到33.7%，垂直燃烧达到V-0级（UL-94），说明利用正交试验法确定的最佳配方是可靠的。

由于MPP既是阻燃剂又是辅助固化剂，在环氧树脂固化的过程中起到了交联作用，所以力学性能在同等条件下高于其他的配方，同时环氧树脂添加MPP有明显的膨胀结炭现象, 制得的试样是自熄、膨胀、无滴落的。MPP与多元醇一起使用有利于结炭层的形成,最终达到阻燃的效果,其中季戊四醇的作用是为MPP提供附加炭源,增加结炭层的量,减少MPP的用量。纤维也是很好的成炭剂，纤维为固体物质,通常不能直接进行燃烧,必须通过热解过程产生可燃性挥发物,当该挥发物与空气相遇并达到一定浓度范围内,温度达到燃点便产生有焰燃烧,而热解残留物为木炭。

3 结语

通过以上研究可以得到如下结论：

1)正交试验和极差分析结果显示，4个因素对复合材料力学性能影响顺序为：阻燃纤维含量＞阻燃剂含量＞纤维长度＞阻燃剂配比。

2)复合材料的最佳配方：纤维长度5mm，阻燃纤维含量为总质量的10%，阻燃剂质量为环氧树脂质量的40%，阻燃剂MPP和季戊四醇配比为3∶1。

3)在纤维长度、阻燃纤维含量、阻燃剂含量都相同的情况下，添加不同种类的阻燃剂，其中添加MPP和季戊四醇的性能最好。

[1] 蔺艳琴，揣成智. 热塑性塑料/天然植物纤维复合材料的研究[J].塑料科技，1999(4)：5-6.

[2] 张泽江，梅秀娟，冯良荣，等.三聚氰胺聚磷酸盐的合成和表征[J].应用化学，2003，20（11）：1035-1038.

[3] 李小云，王正洲，梁好均.三聚氰胺磷酸盐和季戊四醇在EVA中的阻燃研究[J].高分子材料科学与工程，2007，23(1)：145-148.

[4] Weil E D.In：Engd R Edr. Handbook of Organophosphorus Chemistry, Chapter 14[M].New York：Marcel Dekker Inc, 1992:683.

[5] Laly A. Pothan, Sabu Thomas, G.Groeninckx. The role of fibre/matrix interactions on the dynamic mechanical properties of chemically modified banana fibre/polyester composites[J].science direct part A,2006(37): 1260-1269.

[6] 张长安，鲁博，曾竟成.苎麻落麻的表面处理及其复合材料[J].工程塑料应用，2004，32(11)：5-9.

[7] Chen Wen-Yi, Wang Yen-Zen, Chang Feng-Chih. Thermal and Retardation Properties of Meleamine Phosphate-Modified Epoxy Resins[J]. Journal of Polymer Research, 2004(11): 109-117.

[8] 李荣勋，冯绍华，李少香，等.洗衣机用PP复合材料的研制[J].塑料科技，2004(3)：25-28.

[9] 方开泰，马成兴.正交与均匀试验设计[M].北京：科学出版社，2001：105-114.

[10] 郭纯孝.计算化学[M].北京：化学工业出版社，2004：156-174.

[11] 龙春光，王霞瑜.提高聚甲醛复合材料耐磨性的正交试验研究[J].应用科学学报，2004，22 (2)：233-237.

[12] 李兴建，张宜恒，孙道兴.氢氧化镁/氢氧化铝/三聚氰胺磷酸盐协效无卤膨胀型阻燃硅橡胶的制备与性能研究[J].橡胶工业，2013，60(6)：344-346.

[13] 王正洲，王云，胡源.聚磷酸铵和季戊四醇膨胀型阻燃环氧树脂的阻燃性能[J].高分子材料科学与工程，2009，25（11）：86-89.