黃仙　于湖生　李芳　王菲

摘 要：利用熱壓成型法制備香蕉（莖）纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料，結(jié)合單因素分析法和正交法研究熱壓工藝三大要素：壓力、溫度和時(shí)間以及纖維含量等工藝條件對(duì)增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，確定最佳的制備工藝。結(jié)果表明：在壓力、溫度和時(shí)間分別為13 MPa、150 ℃、11 min的熱壓參數(shù)值下以及纖維的添加量為20%時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，與純樹脂相比，拉伸強(qiáng)度提高了71.8%，彎曲強(qiáng)度提高了49%。

關(guān)鍵詞：香蕉纖維;增強(qiáng)復(fù)合材料;熱壓工藝

中圖分類號(hào)：TQ327.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）03-0005-05

Study on Preparation Process of Unsaturated Polyester Resin Composite Reinforced by Banana Fiber

HUANG Xian， YU Husheng， LI Fang， WANG Fei

（College of Textiles and Clothing， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：In this paper， the unsaturated polyester resin composite reinforced by banana （STEM） fiber was prepared by hot-pressing molding. Single factor analysis and orthogonal method were combined to study the influence of pressure， temperature， time and fiber content on the mechanical properties of the reinforced composite， and determine the optimal preparation process. The results showed that the mechanical properties of the composites were the best under the following conditions： pressure 13 MPa， temperature 150 ℃， time 11 min， and the fiber content 20%. The tensile strength increases by 71.8%， and the flexural strength increased by 49% compared with the pure resin.

Key words：banana fiber; reinforced composite; hot pressing process

在能源轉(zhuǎn)型的背景下，生物基材料因其可持續(xù)性和環(huán)境效益在復(fù)合材料以及建筑材料領(lǐng)域中都取得成功，如亞麻、椰殼、聚乳酸等增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料和麻混凝土等[1-2]。目前在增強(qiáng)材料領(lǐng)域內(nèi)，天然植物纖維包括竹、麥稈、麻、椰殼纖維等，因具有質(zhì)輕、價(jià)廉、易于獲得、可再生、可生物降解、低耗能、低密度、高強(qiáng)度和高模量等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛替代木材、玻璃纖維來制備增強(qiáng)復(fù)合材料[3]，解決了加工難度大、能耗和成本高、不可再生等缺點(diǎn)。香蕉纖維具有麻類纖維強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率小、回潮率大、吸濕放濕快、纖維粗硬、初始模量高等特點(diǎn)[4]。但是，香蕉在每年采收后，遺留的大量莖稈被丟棄或被直接焚燒，這無疑導(dǎo)致資源浪費(fèi)同時(shí)造成環(huán)境污染[5]。將香蕉（莖）纖維進(jìn)行脫膠處理后用來增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂不僅可回收資源還可開發(fā)一種新型復(fù)合材料，與淀粉基生物材料相比不僅成本低資源豐富加工工序也簡(jiǎn)單[6]。另外，不飽和聚酯樹脂（UPR）是一種最常用的熱固性樹脂，因具有成型工藝好、力學(xué)性能優(yōu)等特點(diǎn)，常被用作樹脂基體來生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[7]。本研究采用香蕉（莖）纖維作為增強(qiáng)材料，不飽和聚酯樹脂作為基體，在不同熱壓工藝下，制備香蕉纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通過實(shí)驗(yàn)研究探討熱壓工藝的成型壓力、成型溫度、成型時(shí)間和增強(qiáng)材料的添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并確定最佳工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：香蕉（莖）纖維，15 cm，10.4 tex（蘇州市圣竹股份有限公司），191#不飽和聚酯樹脂（東莞市雅德樹脂新材料有限公司），環(huán)烷酸鈷（東莞市雅德樹脂新材料有限公司），過氧化甲乙酮（東莞市雅德樹脂新材料有限公司），NaOH（顆粒）（青島大學(xué)），DH-8023脫模劑（青島德慧精細(xì)化工有限公司）。

實(shí)驗(yàn)儀器：FA2004B電子天平（常州萬泰天平儀器有限公司），JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器（上海輯睦儀器設(shè)備有限公司），Y802A型八籃恒溫干燥箱（蘇州納冠電子設(shè)備有限公司），INSTRON4302型電子萬能測(cè)試機(jī)（美國英斯特朗公司），QLB-25T平板硫化機(jī)（鄭州鑫和機(jī)器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 香蕉纖維堿處理

用NaOH顆粒配制2%的堿溶液，將香蕉纖維放入配制好的堿溶液當(dāng)中，常溫下浸泡5 h，撈出放蒸餾水中水洗呈中性，在Y802A型八籃恒溫干燥箱中80 ℃烘干至重量恒定后，密封備用。堿處理可去除香蕉纖維內(nèi)的雜質(zhì)和殘余的膠質(zhì)、木質(zhì)素和半纖維素[8-9]，減小微纖旋轉(zhuǎn)角度，提高取向度，并改變纖維表面的粗糙程度使得與不飽和聚酯樹脂基體的反應(yīng)幾率提高。

1.2.2 配制 UPR樹脂膠液

取191#UPR樹脂100 g，加入2 mL固化劑過氧化甲乙酮攪拌均勻后再加入促進(jìn)劑環(huán)烷酸鈷1 mL，調(diào)勻后立即使用。

1.2.3 熱壓成型與測(cè)試

a）將堿處理后的香蕉纖維切成5 mm長(zhǎng)，以10%的質(zhì)量百分比加入到配置好的UPR樹脂膠液中，然后將預(yù)混料放入模具中，按照表1的參數(shù)方案和表2的試驗(yàn)方案，通過單因子試驗(yàn)制備復(fù)合材料。

b）參照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用電子多功能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)表2中不同成型壓力、成型溫度及成型時(shí)間制備出來的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，確定最佳熱壓工藝。

c）將不定量的香蕉纖維按照表3的方案分別加入到配制好的UPR樹脂膠液中，然后將預(yù)混料放入模具中，按照1.2.3節(jié)中第2步確定好的熱壓工藝，制備復(fù)合材料。

d）參照GB/T 1447—2005，采用電子多功能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)表3中不同纖維含量制備出來的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，確定最佳添加量。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型壓力對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

采用表2中A系列試驗(yàn)方案測(cè)得了不同成型壓力下復(fù)合材料的力學(xué)性能，如表4、圖1所示。

如表4、圖1所示，復(fù)合材料的力學(xué)性能在不同成型壓力下呈先緩慢上升后急劇上升再平緩的趨勢(shì)。0～5 MPa時(shí)，由于壓力值不大，對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度影響較小;5～15 MPa時(shí)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的曲線斜率開始逐漸增大，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值;大于15 MPa之后，斜率逐漸平緩，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的增長(zhǎng)率開始下降，機(jī)械性能的增長(zhǎng)速率隨之減慢。因?yàn)樵谄渌麠l件恒定下，隨著壓力的加大，復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越緊密，使香蕉纖維更緊更有力地附著于基體上，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能提高[10]。當(dāng)壓力超過一定值后，復(fù)合材料的密度已增加到最大值，此時(shí)壓力對(duì)材料的力學(xué)性能的影響就微乎其微。

2.2 成型溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

采用表2中B系列試驗(yàn)方案測(cè)得了不同成型溫度下復(fù)合材料的力學(xué)性能，如表5、圖2所示。

如表5、圖2所示，復(fù)合材料的力學(xué)性能在不同成型溫度下呈先升高后降低的趨勢(shì)，且變化較明顯。在150 ℃之前，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都隨著溫度的上升而快速增加，150 ℃時(shí)力學(xué)性能達(dá)到最佳。超過150 ℃之后，曲線開始呈下降趨勢(shì)。這種現(xiàn)象是因?yàn)闇囟葘?duì)材料的熔融流動(dòng)性的影響來改變復(fù)合材料的力學(xué)性能。初始階段時(shí)，溫度較低，樹脂基體的流變性較差，黏度較差;隨著溫度逐漸升高，樹脂基體進(jìn)一步熔化，流變性增加，使香蕉纖維與基體接觸充分，樹脂更好地握持香蕉纖維，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能;當(dāng)溫度超過150 ℃后，隨著溫度升高，香蕉纖維和不飽和樹脂聚酯的熱穩(wěn)定性變差，這是因?yàn)?，根?jù)對(duì)香蕉纖維和不飽和聚酯樹脂的熱穩(wěn)定性測(cè)試，在溫度超過100 ℃之后，香蕉纖維內(nèi)部開始脫水，超過250 ℃后，香蕉纖維開始熱分解，伴隨著新的產(chǎn)物和低分子量揮發(fā)性化合物的產(chǎn)生，使香蕉纖維的重量急劇損失，而不飽和聚酯樹脂的熱分解溫度在280 ℃左右，隨著溫度升高，也會(huì)產(chǎn)生新的產(chǎn)物和揮發(fā)性氣體，二者平均失重率高達(dá)69.8%，降低了復(fù)合材料強(qiáng)力[11]。

2.3 成型時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

采用表2中C系列試驗(yàn)方案測(cè)得了不同成型時(shí)間下復(fù)合材料的力學(xué)性能，如表6、圖3所示。

如表6、圖3所示，復(fù)合材料的力學(xué)性能在不同成型時(shí)間下呈先上升后平緩的趨勢(shì)。這是因?yàn)闀r(shí)間的長(zhǎng)短間接影響了溫度對(duì)樹脂基體的影響程度，短時(shí)間內(nèi)，受熱時(shí)間短，樹脂未達(dá)到完全熔融狀態(tài)，此時(shí)樹脂的粘性較差不能很好地粘結(jié)香蕉纖維;而又當(dāng)時(shí)間過久時(shí)，雖然是在臨界溫度150 ℃下，也會(huì)導(dǎo)致香蕉纖維和樹脂因過久加熱而發(fā)生熱分解，有損 復(fù)合材料的強(qiáng)力[12]。由表6、圖3可知，復(fù)合材料的彎曲性能可隨成型時(shí)間的增加而增加直至一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，說明塑料的剛性會(huì)隨著成型時(shí)間的增加而增加。綜上所述，復(fù)合材料在恒定的壓力和溫度下熱壓11 min左右時(shí)強(qiáng)力達(dá)到最高。

2.4 最佳熱壓工藝確定

從成型壓力、成型溫度、成型時(shí)間的單因素試驗(yàn)中選擇了3組改善較大的參數(shù)（表7）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

由表8的測(cè)試結(jié)果表明：復(fù)合材料在壓力13 MPa、溫度150 ℃、時(shí)間11 min的熱壓參數(shù)值下，力學(xué)性能最好。

2.5 香蕉纖維添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能 的影響

采用表3中的纖維含量添加方案測(cè)得了不同纖維含量下復(fù)合材料的力學(xué)性能，如表9、圖4所示。

如表9，圖4所示，纖維含量在0～20%之間時(shí)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都隨著纖維含量的增加而增加，大于20%后，拉伸強(qiáng)度呈減緩的趨勢(shì)，而彎曲強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，且增幅變大。這是因?yàn)殡S著香蕉纖維含量的逐漸增多，復(fù)合材料內(nèi)部可承受負(fù)荷的纖維也增多，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加;在纖維含量增加到超出樹脂基體可粘結(jié)的能力之后，樹脂則不能完全均勻飽和，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低[13-15]。由彎曲強(qiáng)度曲線可知，纖維含量在超過20%后彎曲強(qiáng)度的增加率有很大提高。比較20%和25%的添加量的改善效果，20%的添加量時(shí)拉伸強(qiáng)度與純樹脂強(qiáng)度相比提高了71.8%，彎曲強(qiáng)度提高了49%，25%的添加量使拉伸強(qiáng)度提高了72.4%，僅比20%的高了0.6%，因拉伸強(qiáng)度受纖維含量的影響較大，綜合考慮成本及大生產(chǎn)加工，選20%的纖維添加量為宜。

3 結(jié) 論

a）通過對(duì)熱壓工藝條件的研究，選擇香蕉纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最佳熱壓工藝為成型壓力13 MPa、成型溫度150 ℃、成型時(shí)間11 min。在這個(gè)工藝參數(shù)下制備的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為40.5 MPa，彎曲強(qiáng)度為74.1 MPa，復(fù)合材料力學(xué)性能最優(yōu)。

b）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能與合理的纖維體積分?jǐn)?shù)成正比。根據(jù)以上研究，增強(qiáng)材料的最佳添加量為20%，在這個(gè)體積分?jǐn)?shù)上，復(fù)合材料的力學(xué)性能改善效果與純樹脂相比，拉伸強(qiáng)度提高了71.8%，彎曲強(qiáng)度提高了49%。

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