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聚丙烯/亚麻针刺无纺布及其复合材料性能的研究

复合材料由来已久,早在2000多年前,我国的祖先就曾将秸秆混入泥浆中建造房子,直到如今现代建筑中的钢筋混泥土等。而随着时代的进步,材料运用的发展,1932年美国发明了玻璃纤维增强材料,标志着近代复合材料的到来。从玻璃钢、碳纤维复合材料、纤维增强复合材料直至纳米复合材料[1],可以说复合材料一直在迅猛发展。
但是随着如今人们对环境保护意识的增强,人们渐渐认识到合成材料回收困难,对环境的损伤较大,天然纤维这种可以回收、可生物降解等符合可持续发展要求的绿色材料又重新出现在人们的视野,以天然纤维为增强体的天然纤维增强复合材料也因此应运而生[2],其以精美的外观和良好的触感成为复合材料界的宠儿[3]。天然纤维不仅来源广泛能再生,而且由于密度低,它的比强度和比刚度较一般合成纤维较高,因而天然纤维增强材料也具有非常良好的机械性能[4],适用的天然纤维也非常多,如棉、麻、竹、椰子纤维等等,Amir Nourbakhsh[5]等研究了杨木纤维浓度和混合温度对杨木/PP复合材料机械性能的影响,表明,当杨木纤维比例为30%,混合温度在190℃时,复合材料的模量和强度最大。天然纤维的基体一般为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯,也有聚乳酸、聚酯纤维。例如Massimo Baiardo[6]等用亚麻增强Bionolle,发现将亚麻表面酰化,可以显著提高Bionolle/亚麻复合材料的强度,并且与亚麻纤维相同的是,Bionolle也具有非常好的生物可降解性,所得到的复合材料可以很好的应用在地膜等环境友好需求型产品中。但天然纤维聚丙烯基复合材料仍是天然纤维复合材料研究较多的方面,湖北工业大学的李学峰[7]等人将预处理的稻草、稻糠、木粉和甘蔗渣等与高密度聚乙烯和聚丙烯复合得到天然纤维聚烯烃复合材料,发现这4种复合材料的性能基本相近,并且以木粉复合材料的力学性能为最高。当然也有向复合材料里面加入偶联剂或是些功能性的阻燃剂、抗静电剂等,如Rachasit Jeenchamp[8]等将APP,Zb,APP/Zb等阻燃剂加入剑麻/PP复合材料中,发现这些阻燃剂的加入能显著地提高剑麻/PP复合材料的阻燃性能和热稳定性而不损害其机械性能,并且阻燃剂能够在剑麻纤维和PP基体间良好分布。
一般天然纤维增强材料是将纤维混合后热压成型,而利用非织造的生产工艺制造复合材料预材的研究还是很少。非织造针刺加固的方法利用刺针穿过纤网,使纤维束扎入纤网,通过缠结力和摩擦力保持纤维的三维分布,这样的复合材料拥有良好的深度模压成型性[9]。常见的热塑性树脂基复合材料的固化工艺有注射成型,挤出成型和热塑性片状模塑料热冲压成型[10]。本论文运用针刺的方法,以亚麻为增强体通过热轧制得聚丙烯/亚麻复合材料,讨论了亚麻的配比对针刺无纺布和复合材料性能的影响。
 
2 实验部分
2.1 原料与仪器
原料:亚麻,聚丙烯纤维。主要实验仪器见表1
2.2 聚丙烯/亚麻无纺布及其复合材料的制备
(1)聚丙烯/亚麻无纺布的制备:分别称量配比为100∶0,90∶10,80∶20,70∶30,60∶40的聚丙烯/亚麻纤维,将纤维进行混合、开松、梳理、铺网,然后送入针刺机,设置铺网层数为22层,针刺频率为443r/min,制得针刺无纺布。
(2)聚丙烯/亚麻复合材料的制备:无纺布经热轧机在4MPa、170℃下热轧,得到聚丙烯/亚麻复合材料。
 
2.3 样品表征
按GB/T3820《纺织品和纺织制品厚度的测定》测厚度;用电子天平测质量;按FZ/T60005-1991《非织造布断裂强力及断裂伸长的测定》测断裂强力;按GB/T17636-1998《土工布及其有关产品 抗磨损性能的测定 砂布/滑块法》测耐磨性;按GB5453-1985《纺织品 织物透气性的测定》测透气性;按GB10048-89《纺织品保暖性能试验方法》测克罗值。
 
3 结果与分析
3.1 厚度和平方米克重
图1、图2分别是不同配比针刺无纺布和复合材料的厚度、平方米克重变化图。可以看到,随着亚麻配比的增加,针刺无纺布和复合材料的厚度和平方米克重变化不明显。较无纺布而言,复合材料厚度下降近80%,平方米克重却有稍微增加,即表明热轧使复合材料中蓬松的聚丙烯变得致密结实。这是因为在170℃已达到聚丙烯的熔点,因而热轧施加了一定压力后,部分聚丙烯熔融粘合,产生收缩,复合材料厚度下降、平方米克重增加,变得薄而致密。
 
3.2 断裂强力
图3是不同配比针刺无纺布和复合材料断裂强力的变化图。从图中可知得知,随着亚麻的加入,针刺无纺布的断裂强力逐渐减小,而复合材料的断裂强力则是先增大后减小,且在亚麻含量为10%达到最大。热轧前,纯聚丙烯针刺无纺布的断裂强力最大,而且无纺布的断裂强力随着亚麻的加入而减小,说明此时作用在无纺布上的应力并不能传递到亚麻上,因为亚麻与聚丙烯之间只是简单的混合,拉伸断裂主要是聚丙烯纤维的断裂,因而断裂强力逐渐减小。热轧后,复合材料的断裂强力先增大后减小,并在亚麻含量为10%时最大。而且亚麻含量为40%时复合材料的断裂强力382N比热轧后纯的聚丙烯针刺无纺布的断裂强力278N增大了37%,可知亚麻作为增强体增强了复合材料的断裂强力。这时的断裂机理则是聚丙烯与亚麻的断裂,因为热轧使聚丙烯熔融,增大了其与亚麻之间的界面结合作用,复合材料上的应力能够传递到亚麻上,并且由于亚麻的强度和模量均比聚丙烯大,所以表现出强力明显的增加。而随着亚麻含量的增加,复合材料的断裂强力先增大后减小,说明亚麻的量对断裂强力的增加并非是无限制的,也存在一个临界值,当超过这个临界值时,亚麻和聚丙烯之间的界面结合层太厚,影响了应力的传递,导致断裂强力又下降。
 
3.3 耐磨性
图4是不同配比针刺无纺布和复合材料耐磨性变化图。可以看到,耐磨性的变化与断裂强力的变化相似。热轧前,针刺无纺布耐磨性呈下降的趋势;热轧后复合材料耐磨性增加176%-255%,但随着亚麻配比的增大,耐磨性逐渐减小。这是因为耐磨性与单纤维强力,纤维间抱合、摩擦、缠结、粘合有关,而这些又与复合材料的断裂强力密切相关,所以其变化规律也与断裂强力的相似。不但如此,还可以看到,复合材料的耐磨性增加的幅度比断裂强力大了近40%,也即热轧后复合材料耐磨性能提升更大。
 
3.4 透气性
 
图5是不同配比聚丙烯/亚麻针刺无纺布和其复合材料的耐磨性。随着亚麻含量的增大,透气性是下降的。热轧前,针刺无纺布的透气性随着亚麻的增加逐渐减小。而透气性主要与织物孔隙大小和多少有关,纯聚丙烯针刺无纺布间纤维缠结良好,所以针刺孔洞多而且大;在加入亚麻后,因为亚麻与聚丙烯之间的界面作用小,缠结不够,部分亚麻随机的分散在聚丙烯中,阻碍了空气流通,导致透气性下降。热轧后,复合材料的透气性急剧下降。例如在亚麻含量为10%,透气量从1915.9mm/s降到420.9mm/s,下降了约78%。这是因为热轧使部分聚丙烯熔融粘结,堵塞或减小了原来的孔洞,导致透气性减小。
 
3.5 保暖性
图6是不同配比针刺无纺布和复合材料保暖性变化图。保暖性的变化规律与透气性相符,一般来说透气性越大,保暖性越小。热轧前,针刺无纺布的克罗值随着亚麻的加入而增大,保暖性变好;热轧后,复合材料的克罗值增加2-3倍多,并且随着亚麻的增加,克罗值继续增大。这是因为热轧前针刺无纺布由于经过刺针刺入留下孔洞,导致保暖性差。而且随着亚麻的加入,亚麻短纤维与聚丙烯纤维间作用力更弱,孔隙更大,因此保暖性下降。热轧后,纤维间缠结粘合增大,纤维间孔隙减少,能透过的空气减少,因而保暖性增大。
 
4 结论
本文主要研究了配比对聚丙烯/亚麻针刺无纺布及其复合材料的断裂强力、耐磨性、透气性和保暖性的影响,分析相关数据及图表得到以下结论
(1)亚麻的加入使针刺无纺布的断裂强力、耐磨性、透气性下降,这是因为亚麻为短纤维,加入后使纤维间的缠结减弱,而正是这样其结构变得更为蓬松,能够保持更多的静止空气,保暖性增加。
(2)聚丙烯/亚麻复合材料的断裂强力、耐磨性是随着亚麻的加入先增大后减小,且当亚麻含量为10%时,达到最大。这是因为聚丙烯与亚麻界面结合良好,能够将应力传递到亚麻上,但亚麻的加入也是存在临界值的,当继续加入亚麻时,亚麻与聚丙烯结合面厚度增加影响了应力的传递,断裂强力等也下降。
(3)聚丙烯/亚麻复合材料较其无纺布而言,断裂强力有135%-181%的增加,耐磨性更是增加了176%-255%,这说明亚麻作为纤维增强材料能够起到非常好的增强效果。

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