摘 要：為研究汽車內(nèi)飾材料的輕量化、環(huán)?；?，選用胡麻纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂為基體，利用真空輔助樹脂傳遞模塑成型的方法制備汽車內(nèi)飾用胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。詳細(xì)闡述了胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備過程以及胡麻纖維的生物—化學(xué)聯(lián)合脫膠過程，分析了成型過程中胡麻纖維的用量以及改性處理對(duì)胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的影響，確定了最佳的工藝參數(shù)，從而獲得性能良好的板材。結(jié)果表明:采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的胡麻纖維和2.5%的硅烷偶聯(lián)劑時(shí)，胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的相關(guān)力學(xué)指標(biāo)達(dá)到最佳，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度分別為54.32、127.19、211.95MPa。
汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚拇焦ぞ?隨著汽車制造成本的降低,汽車的售賣價(jià)格變得更加親民,但與此同時(shí),環(huán)境壓力也日益增加?為了進(jìn)一步減少汽車及其生產(chǎn)對(duì)環(huán)境帶來的污染,一方面必須在汽車內(nèi)飾件的回收與利用上加以重視,另一方面應(yīng)加快開發(fā)汽車輕量化材料,以降低車身質(zhì)量,同時(shí)減少油耗和尾氣排放?有研究表明,汽車質(zhì)量減少100kg,每100km可節(jié)省燃油0.3L?減少CO2排放8~11kg[1],因此,對(duì)汽車輕量化材料的開發(fā)有著非常重要的意義?
植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料憑借其綠色環(huán)保?可降解?力學(xué)性能較好?原料價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),成為國(guó)內(nèi)外新材料領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn),在汽車外部構(gòu)件及內(nèi)飾?飛機(jī)內(nèi)飾?軌道交通車輛內(nèi)飾?建筑材料?露天公共設(shè)施等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?由于植物纖維自身力學(xué)性能及表面特性等多種因素的影響,使得植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與傳統(tǒng)高性能合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間的力學(xué)性能存在一定的差距?針對(duì)植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高性能化,所采用的方法大都是對(duì)植物纖維增強(qiáng)體的表面改性,以提升其與基體材料之間的界面結(jié)合效果,探究植物纖維微觀結(jié)構(gòu)?化學(xué)成分對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能及界面性能的調(diào)控機(jī)制?
本文以胡麻為研究對(duì)象探討植物纖維增強(qiáng)體的制備?由于胡麻中含有膠類物質(zhì)和其他雜質(zhì),進(jìn)而影響胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的成型質(zhì)量,因此需要對(duì)胡麻進(jìn)行脫膠處理?采用生物酶與化學(xué)法聯(lián)合脫膠的工藝對(duì)胡麻纖維進(jìn)行脫膠處理?通過減少配置堿液的次數(shù),一方面簡(jiǎn)化了脫膠流程,減少了堿性廢水的產(chǎn)生,在一定程度上有利于環(huán)境保護(hù);另一方面增加了胡麻纖維的脫膠產(chǎn)量,有助于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[2]?此外,優(yōu)化真空輔助樹脂傳遞模塑成型(VARTM成型)工藝中胡麻纖維的用量,并進(jìn)行界面改性處理[3-5],可制備出符合汽車內(nèi)飾使用標(biāo)準(zhǔn)的胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,豐富麻纖維復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾領(lǐng)域的應(yīng)用[6-7]?
實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備
實(shí)驗(yàn)材料:胡麻稈(內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市農(nóng)田)、果膠酶(寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司)、環(huán)氧樹脂及樹脂固化劑(深圳市郎博萬先進(jìn)材料有限公司)、硅烷偶聯(lián)劑(山東晨光化學(xué)試劑有限公司)。
儀器設(shè)備:單纖維電子強(qiáng)力機(jī)、Z(B)02Q型萬能制樣機(jī)(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、真空泵(沈陽(yáng)真空泵廠)。
1.2 胡麻纖維的脫膠處理和改性
化學(xué)脫膠的脫膠率較高,脫膠效果顯著,但經(jīng)堿煮后會(huì)損傷纖維,且產(chǎn)生的堿煮廢液需要進(jìn)行處理,脫膠成本提高?生物酶脫膠的脫膠效果不夠理想,但綠色環(huán)保,有很高的應(yīng)用價(jià)值?本文實(shí)驗(yàn)采用生物酶—化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝[8],以實(shí)現(xiàn)2種脫膠方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?該工藝的要點(diǎn)是利用生物酶脫膠處理工藝,先去除一部分膠質(zhì),減輕后續(xù)脫膠工藝的負(fù)擔(dān),節(jié)省化學(xué)藥品?同時(shí),也能使得胡麻纖維溶脹而變得更加松散,在之后的堿煮工藝中所配置的堿煮液可以更加容易地滲透到胡麻中去?另外,在生物酶脫膠處理工藝的基礎(chǔ)上,注意其后處理工藝中相關(guān)化學(xué)藥品的使用量[9]?生物酶—化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝流程如下:取樣→浸酸→水洗→生物酶脫膠→水洗→脫水→打纖→堿煮→酸洗→水洗→脫水→自然風(fēng)干→精干麻?
生物酶—化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝參數(shù)為:胡麻桿20g;浸酸時(shí)硫酸質(zhì)量濃度1.6g/L,浴比1∶50,溫度50℃,時(shí)間2h;生物酶脫膠時(shí)果膠酶用量8%(o.w.f),浴比1∶50,溫度35℃,時(shí)間48h;堿煮時(shí)氫氧化鈉質(zhì)量濃度8g/L,多聚磷酸鈉質(zhì)量濃度1.5g/L,亞硫酸氫鈉質(zhì)量濃度4.0g/L,碳酸鈉質(zhì)量濃度2.0g/L,JFC滲透劑質(zhì)量濃度0.8g/L,溫度95℃,時(shí)間1.5h,浴比1∶50;酸洗時(shí)硫酸質(zhì)量濃度1.6g/L,浴比1∶50,溫度25℃,時(shí)間5min?
在熱處理和堿處理等傳統(tǒng)的改性方法中,提高界面黏合強(qiáng)度的同時(shí),會(huì)損傷纖維自身?在不損傷纖維的前提下,通過添加一定量的硅烷偶聯(lián)劑,可使胡麻纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面形成偶聯(lián),進(jìn)而提高界面性能,實(shí)現(xiàn)胡麻纖維與環(huán)氧樹脂基體的穩(wěn)定結(jié)合[10]?適量的硅烷偶聯(lián)劑不僅可以確保對(duì)樹脂的良好潤(rùn)濕性,還可以通過偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)一步提高復(fù)合材料的界面特性?
本文通過改變硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù),分析其對(duì)胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的影響,以得出硅烷偶聯(lián)劑最合適的用量?
1.3 胡麻纖維復(fù)合材料的制備
采用梳理機(jī)梳理2~3遍胡麻纖維使其成網(wǎng),經(jīng)過反復(fù)折疊鋪層后得到的胡麻氈作為增強(qiáng)體,將胡麻氈的尺寸裁剪為25mm×25mm,以質(zhì)量比為10∶3的環(huán)氧樹脂?樹脂固化劑混合物作為基體(環(huán)氧樹脂和固化劑的使用量一定)?改變胡麻纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%?25%?30%?35%?40%,確定最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)后加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅烷偶聯(lián)劑對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性?參照文獻(xiàn)[11]中將硅烷偶聯(lián)劑直接加入到膠黏劑組分中,加入量為基體樹脂量的1%~4%?涂膠后依靠分子的擴(kuò)散作用,偶聯(lián)劑分子遷移到黏接界面處產(chǎn)生偶聯(lián)作用?因此選用硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.5%?2.0%?2.5%?3.0%?3.5%?添加先后順序?yàn)榄h(huán)氧樹脂?樹脂固化劑?硅烷偶聯(lián)劑?配置完成后靜置10min,隨后將改性后環(huán)氧樹脂/樹脂固化劑混合物體系加入至料瓶當(dāng)中?
此制備方法要在注射壓力良好的情況下進(jìn)行真空灌注,灌注完成后在常溫下固化48h,以使偶聯(lián)劑完成遷移過程,從而獲得較好的效果?參照文獻(xiàn)[12]的試樣尺寸進(jìn)行制備,得到10種不同的復(fù)合材料試樣(試樣編號(hào)分別為C1~C10)?改性環(huán)氧樹脂及胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的編號(hào)如表1所示?具體VARTM成型工藝的流程為:精干麻→開松→梳理→鋪層→裁剪→模具涂蠟→加裝脫模布?導(dǎo)流網(wǎng)?導(dǎo)流管→密封→抽真空→灌樹脂→常溫固化→脫模→成品?
結(jié)果與分析
2.1 聯(lián)合脫膠對(duì)胡麻纖維力學(xué)性能的影響
生物—化學(xué)聯(lián)合脫膠后胡麻纖維拉伸斷面SEM照片如圖1所示。可知，胡麻纖維的斷面為不規(guī)則的多邊形，表面有溝槽，且內(nèi)部有明顯的中腔。
經(jīng)測(cè)試可知:采用生物酶脫膠時(shí)單纖維強(qiáng)力為0.98N/tex;采用化學(xué)脫膠時(shí)單纖維強(qiáng)力為0.75N/tex;采用生物—化學(xué)聯(lián)合脫膠時(shí)單纖維強(qiáng)力為0.86N/tex。由此可見，生物酶脫膠后的胡麻纖維強(qiáng)力最好，但生物酶脫膠不能完全去除胡麻中的膠質(zhì)，并且酶活性低，脫膠效率低，不能滿足正常的紡織生產(chǎn)?；瘜W(xué)脫膠的堿煮次數(shù)多，時(shí)間長(zhǎng)對(duì)胡麻纖維造成的損傷大，導(dǎo)致纖維強(qiáng)力相較于其他2種脫膠工藝低。對(duì)胡麻采用生物—化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝，由于減少了堿液煮練次數(shù)，煮練時(shí)間縮短，因而對(duì)胡麻纖維造成的損傷較小，強(qiáng)力相對(duì)提高。
2.2 胡麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
胡麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響如表2所示?當(dāng)胡麻纖維加入熱塑性環(huán)氧樹脂基體當(dāng)中,其用量在一定范圍內(nèi),胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)指標(biāo)明顯提高,繼續(xù)添加胡麻纖維超過這個(gè)范圍,復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降?這是因?yàn)?當(dāng)胡麻纖維在基體中達(dá)到一定比例后,若繼續(xù)增加胡麻纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)使樹脂灌注變得十分緩慢,難以完全浸潤(rùn)整塊胡麻氈,一方面會(huì)使纖維發(fā)生接觸,喪失協(xié)同抵抗變形的能力;另一方面導(dǎo)致復(fù)合板材的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)減少,使后期材料固化困難?這2方面因素是最終導(dǎo)致胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能降低的根本原因?
隨著胡麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)指標(biāo)均呈現(xiàn)先升高后略有降低的規(guī)律?當(dāng)胡麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度?彎曲強(qiáng)度?壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為37.61?82.53?129.45MPa?胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度?彎曲強(qiáng)度?壓縮強(qiáng)度均比目前國(guó)內(nèi)汽車內(nèi)飾使用更為普遍的聚丙烯(PP)材料明顯要好[13],所以,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料完全適合應(yīng)用于汽車內(nèi)飾材料的生產(chǎn)制造[14]?
2.3 改性處理對(duì)胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
由于胡麻纖維含有親水性羥基，而環(huán)氧樹脂是非親水性聚合物，通過加入硅烷偶聯(lián)劑對(duì)胡麻纖維進(jìn)行界面改性處理，能促使胡麻纖維和環(huán)氧樹脂的交聯(lián)結(jié)合。改性處理對(duì)胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律如表3所示。
由表3可知，經(jīng)過偶聯(lián)劑改性處理后的胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)一步提升。隨著偶聯(lián)劑添加量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。當(dāng)偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為54.32、127.19、211.95MPa?？捎糜诹W(xué)性能要求較高的汽車內(nèi)飾部件(如儀表盤)，以提升汽車的安全性。圖2、3分別改性前后試樣的拉伸和彎曲應(yīng)力－應(yīng)變曲線對(duì)比圖。
結(jié)論
①胡麻纖維采用化學(xué)脫膠的脫膠率較高,殘膠率較低,脫膠效果顯著,但堿液對(duì)纖維會(huì)造成一定程度的損傷,且堿煮后產(chǎn)生的廢水處理難度大,不利于環(huán)境保護(hù)?生物酶脫膠對(duì)胡麻纖維幾乎沒有損傷,但生物酶脫膠不能完全去除胡麻纖維中的膠質(zhì),且產(chǎn)酶量和酶活性低,脫膠效率低,若只用生物酶來進(jìn)行脫膠,則不能滿足紡織生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化需求?本文采用生物酶-化學(xué)聯(lián)合脫膠工藝使得生物酶脫膠和化學(xué)脫膠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),不僅纖維強(qiáng)力高,而且能夠很大程度除去膠質(zhì)?
②在一定范圍內(nèi),通過提高胡麻纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù),可使胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提升?當(dāng)胡麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳,其拉伸強(qiáng)度?彎曲強(qiáng)度?壓縮強(qiáng)度分別為37.61?82.53?129.45MPa?
③在一定范圍內(nèi),通過提高偶聯(lián)劑的添加量,可使胡麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能較沒有經(jīng)過偶聯(lián)劑改性處理的復(fù)合材料力學(xué)性能得到進(jìn)一步的提升?在偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí),其拉伸強(qiáng)度?彎曲強(qiáng)度?壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大,分別為54.32?127.19?211.95MPa?
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