棕榈纤维聚丙烯复合材料力学性能

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1、棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能研究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

2、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

3、、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

4、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因素及水平分配表水平因素123A时间(min)471

5、0B温度(℃)150155160C压强(mpa)11.52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0.93g/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140mm×20mm×1mm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40mm，拉伸速度为5mm/min。表2试验方案及结果试样ABC拉伸强度（N/mm2）断裂伸长（%）弹性模

6、量（Mpa）14150115.522.01542.5241551.527.634.43895.334160224.531.53536.0471501.524.128.63250.157155220.827.02776.467160123.327.33198.4710150218.023.21880.6810155122.227.13016.09101601.528.832.04020.53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、k

7、2、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1.5Mpa最好；因素A对拉伸强度影响最小，结果显示时间取10min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1.5Mpa，温度为160℃，时间为10min。该方案与9号试验相吻合，试样9的拉伸强度为最高。热处理对聚丙烯力学性能变化与其结晶结构变化

8、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