天津工业大学学报
JOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITY
Vol.28No.3June2009
亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的制备及其弯曲性能测试
张
璐，黄
故
（天津工业大学纺织学院，天津300160）
摘要：利用亚麻纤维作为增强体，与热塑性聚丙烯（PP）纤维进行混合，同时与PP长丝形成PP包覆亚麻的纱线结
构，并利用机织工艺织成二维机织布作为复合材料的预制件，采用层合热压方法制备亚麻/聚丙烯复合材料板材.通过对板材弯曲性能测试，研究了不同制备工艺、不同纱线结构以及不同纤维质量分数等因素对复“三明治”铺层方法制备的板材较“混纤法”制备的板材体现出更优良的合材料弯曲性能的影响.结果表明，
弯曲机械性能；与加捻纱相比，包覆纱结构热塑性复合材料表现出更优越的弯曲性能；以亚麻/聚丙烯包覆纱为增强体的复合材料，亚麻纤维质量分数为43.5%的板材性能最优良.
关键词：亚麻纤维；聚丙烯；机织；热压；弯曲性能中图分类号：TS102.526；TB332
文献标识码：A
文章编号：1671－024X（2009）03－0006－04
FlexuralpropertiesofflaxfiberreinforcedPPcomposite
ZHANGLu，HUANGGu
（SchoolofTextile，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China）
Abstract：Flaxfiberwasusedasreinforcingmaterialtocomminglewithpolypropylene（PP）fibertorealizethemixture
oftwomaterialsatthestageofyarn.Meanwhile，PPfilamentswereintroducedtoproduceacore-spunyarnwithflax/PPascoreandPPfilamentasoutersheath.Thecommingledyarnswerewoveninto2-Dfabricwhichwasusedastheprefabricatedmaterial.Thecompositelaminateswerepreparedbyhotpresstechnology.Theeffectsofmanufacturetechnology，yarnstructureandfiberweightfractiononflexuralpropertiesofcompositeswereinvestigatedthroughanalyzingtheflexuraltestingresults.Theresultsshowthatthepropertiesofcompositesmadebysandwichstackingmethodarebetterthanthepropertiesofcompositesmadebyfiberblendingmethod，andwrapyarnsdemonstrateasignificantimprovementovertwistedyarnswhentheyareusedinthemanufactureofcomposites.Whenflax/PPwrapyarnsareinvolvedintheprocessofcomposite43.5%offlaxfiberfractionisconsideredthebestratioasfarasflexuralpropertiesareconcerned.lamination，
Keywords：flaxfiber；polypropylene（PP）；weaving；hotpress；flexuralproperties
随着人们环境意识的日益提高，国际上众多的环
境材料科学工作者在研究具有净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物、利用自然能源和材料的再生资源等方面，作了大量工作，并取得了重大进展[1].天然植物纤维由于可生物降解、容易种植、机械性能优良，近年来已广泛应用于工业领域.随着技术的提高，天然纤维复合材料应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、
收稿日期：2008-03-16
医疗器械与仿生制品以及家庭办公用品等各个部门[2].
本文选取力学性能优良的亚麻纤维作为增强体，密度较小的聚丙烯作为树脂基体，利用亚麻纤维的可纺性，与聚丙烯（PP）纤维进行混合[3]，同时利用PP长丝形成包覆亚麻的纱线结构，采用机织方法加工出机织布作为复合材料预制件，经过层合热压制备出亚麻/PP复合材料板材.本试验用到了加捻纱与包覆纱两种纱线结构.首先，为比较制备方法对复合材料性能的影响，试验采用了2种铺层方法，即“三明治”法和“混纤
作者简介：张璐（1980—），女，博士研究生，讲师；黄故（1946—），男，教授，博士生导师.E-mail：luzhanganny@yahoo.com.cn
第3期
张璐，等：亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的制备及其弯曲性能测试
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法”.其次，为比较纱线结构对复合材料弯曲性能的影响，试验利用“混纤法”，制备了不同纤维质量的加捻纱和包覆纱结构的试样.最后，试验利用“混纤法”和包覆纱制备了不同纤维质量的板材试样，用以比较纤维质量对复合材料弯曲性能的影响.
好的可织性.
1.3.3层合板材试样的制备
将织物剪切成280mm×280mm的方块，采用0°/0°的铺层方法用于热压.其中，由“纯”亚麻纱织成的织物与聚丙烯纤维毡采用交替铺层的方法进行热压形成复合材料板材.调整每张复合板材中的织物层数使每张板材的平方米克重与厚度基本相同.热压工艺为：先将热压板的上下板面预热到60℃，将织物放入热压机，闭合上下热压板并施加压力至15MPa，平稳升温至190℃，并保持20min，关闭电源使其在室温下保压并降至室温，脱模后进行板材修整并按标准裁制试样.
1.4弯曲性能测试
依据ASTMD790-03对复合材料式样进行三点弯曲测试.试样的尺寸为12.7×3×70mm3，测试速度为1.28mm/min，测试跨距为48mm.
1
1.1
试验部分
试验原料
亚麻纤维，平均直径23.19μm，黑龙江佳木斯佳鹏亚麻有限责任公司产品；PP纤维，0.67tex，平均长
度110mm，山东陵县华龙化纤有限公司产品；PP长丝，33.2tex，北京涤纶实验厂产品.1.2仪器设备
ON100030型花式捻线机，日本OzekiNoboru公司产品；FAST-190型织机，意大利SMIT公司产品；INSTRON5567型万能强力仪，美国Instron公司产品；YTD71-45A型热压机，天津市锻压机床厂产品.1.3复合板材的制备1.3.1
包覆纱线的制备
首先将聚丙烯纤维梳理成条，再按比例将聚丙烯条子与亚麻条子混合并条，加工所得的条子中亚麻纤维的质量分数为：20%、35%、50%、60%、70%及80%.100%纯亚麻条子也制好备用.
用2种方法将上述条子分别纺成2组纱线：利用环锭纺纱纺出加捻纱，如图1（a）所示；引入PP长丝，在花式捻线机上制备包覆纱，如图1（b）所示，包覆纱几乎没有被加捻，PP长丝（33.2tex）包覆在纱线的表面.此时，由于引入了PP长丝，100%亚麻条子所纺包覆纱中亚麻纤维质量分数已下降，故称为PP包覆亚麻纱.
2结果与讨论
由于热塑性树脂熔体粘度大，浸渍纤维比较困难.本试验采用混纤纱制备技术先将增强纤维和基体纤维在单丝级混杂，然后再热压成型，在热压过程中，PP熔融成为树脂基体，在很大程度上克服了浸渍困难的问题.此外，利用花式捻线机制备的纱线中引入了PP长丝，亚麻纱线表面毛羽很多，较为粗糙，摩擦系数大.PP长丝由多根复丝组成，比较蓬松，因此亚麻纱极易被PP长丝包覆.
2.1不同铺层方式对弯曲性能的影响
本试验采取2种铺层方式制造复合材料：①采用PP包覆亚麻纱（由PP长丝与100%亚麻条子所纺的包覆纱）织成的织物与聚丙烯纤维毡（利用针刺法由PP纤维制成）交替铺层的方法进行热压形成复合材料板材，即“三明治”法；②将混纺的亚麻/PP机织布层叠铺放，即“混纤法”.
从生产成本角度比较，这2种铺层方法各有优点.由于“三明治”铺层方法省去了大量的纺纱与织造的
（a）加捻纱
图1Fig.1
纱线结构
（b）包覆纱
Yarnstructures
工作，生产成本相对降低.然而，对于“混纤法”，由于在操作过程中只需要将同一种织物进行铺层，因此操作方便、快捷.
表1给出了不同铺层方法的复合材料板弯曲性能测试结果.亚麻纤维在复合材料板材中的最终质量分数可经计算得出.
对于加捻纱结构的复合材料，采用“三明治”法制备的板材的最大弯曲模量及最大弯曲强力比“混纤
1.3.2机织布的织造
分别以所纺纱线作为纬纱，PP长丝作为经纱，织造平纹织物，织物中的麻纤维具有高度同向性.在平纹织物的织造过程中加捻纱与包覆纱均表现出了良
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表1Tab.1
天津工业大学学报
第28卷
不同铺层方法复合材料板弯曲性能测试结果Influenceoffibermixingmethodsonlaminatesproperties
纱线结构铺层方法亚麻纤维质量分数/%最大弯曲强力/MPa弯曲模量/GPa
加捻纱三明治33.0138.610.67
混纤法33.5117.49.35
包覆纱三明治31.0122.511.0
混纤法31.2117.810.41
（a）加捻纱复合板材（b）包覆纱复合板材
法”制备的板材高出约10%.对于包覆纱结构的复合
材料，采用两种方法制备的板材弯曲性能差别较小.
2种不同铺层方法制备的板材截面形态的电子显微镜照片如图2所示.2张照片均选用包覆纱结构复
弯曲模量/GPa图3不同纱线结构制成的板材
Fig.3Surfaceappearanceoflaminates
18
1614121086420
加捻纱包覆纱
合材料板材进行比较.
01020304050
质量分数/%
图4
（a）混纤法
（b）“三明治”法
Fig.4
图2不同铺层方法板材截面形态电子显微镜照片Fig.2Digitalimagesofpolishedcrosssection
弯曲强力/MPa不同纤维含量板材弯曲模量变化曲线
Flexuralmodulusofcompositeswithdifferentfiberatio
180160
140120100806040200
加捻纱包覆纱
从图2中可以清楚看出，采用“混纤法”制备的板材中亚麻纤维均匀地、独立地分布在树脂基体中，而“三明治”法制备的板材中亚麻纤维仍以纱线为单位分布.
2.2纱线结构对弯曲性能的影响
亚麻增强环氧树脂复合材料中，包覆纱结构复合材料较加捻纱结构复合材料体现出更优良的机械性能[4].本试验将比较在热塑性复合材料中是否存在相同的结果.铺层方法均为“混纤法”.由于在纺纱与织造过程中亚麻纤维会产生落麻，同时由于在纺纱过程中引入了PP长丝，因此复合板材中亚麻纤维质量分数要略低于纤维混合时的设定值.
图3所示为由2种不同纱线结构制成的板材，体现出了不同的表面风格.
图4、图5为板材弯曲性能的变化曲线.
从图4可以看出，与加捻纱结构的复合板材相比，随着纤维质量分数的增加，包覆纱结构板材的弯曲模量呈现了显著的持续增长，与相同条件下的加捻纱结构比较，当亚麻纤维质量分数达到20%，增长22%；纤维质量分数达到45%时，增长了大约31%.产生这种差别的主要原因是纱线结构不同.在加捻纱
01020304050
质量分数/%
图5不同纤维含量板材弯曲强力变化曲线Fig.5Flexuralstrengthofcompositeswithdifferent
fiberratio
中，纤维以纱线轴心为中心呈螺旋轨迹分布，这样的结构虽然有利于织造，但复合材料中纤维却不能全部用来承载来自纱线的轴心方向的外力.在包覆纱中，全部纤维均沿着纱线轴线方向平行顺直地分布，在最终的复合材料板材中，这种结构使每根纤维都能承载来自纱线轴向的外力.
从图5可以看出，2种纱线结构的板材的弯曲强力相差较小.当纤维质量分数为45%时，包覆纱结构板材比加捻纱结构板材高出大约6%.当纤维质量分
两者之间的差异几乎消失.数为20%时，2.3
不同纤维质量分数对弯曲性能的影响
本试验比较了包覆纱结构复合材料在不同纤维
第3期
张璐，等：亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的制备及其弯曲性能测试
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质量分数前提下的弯曲性能，测试结果见表2.由于在纺纱与织造过程中会产生落麻，同时在纺纱过程中引入了PP长丝，因此复合板材中的亚麻纤维质量分数要低于混纤时的质量分数.
表2Tab.2
不同纤维质量分数板材弯曲性能测试结果Flexuralresultsofdifferentfiberratioswrapyarnreinforcedcomposites
编号123456
亚麻质量分数/%
17.330.043.549.458.768.0
弯曲模量/GPa
7.5110.4115.2613.012.8812.41
弯曲强力/MPa
89.9117.8145.6137.3121.2113.8
3结论
（1）采用相同纱线结构作为增强体时，用“三明
治”铺层方法制备的板材较“混纤法”制备的板材体现出更优良的弯曲机械性能.
（2）与加捻纱相比，包覆纱结构热塑性复合材料表现出更优越的弯曲性能，由2种不同纱线结构制备的复合材料板材也体现出截然不同的外观特征.
（3）以亚麻/聚丙烯包覆纱为增强体的复合材料，质量分数为43.5%的亚麻纤维在本次试验中体现了最好的弯曲性能.参考文献：
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15.[2][3]
王善元，张汝光.纤维增强复合材料[M].上海：中国纺织大1998：147.学出版社，
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HUANGGu，LIULiyan.Researchontensilestrengthoflinen/polypropylenecompositeswithvariousfibrevolumefrac－tions[J].Materials&Design，2008，29（7）：1485-1488.
从表2可以看出，3号板材的亚麻纤维质量分数
为43.5%，此时无论是弯曲模量还是弯曲强力都最大.6号板材的亚麻纤维质量分数最大，达到68%，应该表现出较好的弯曲性能，然而结果却与预料相反.这是因为当增强纤维过多时，树脂浸润不够充分[5]，板材中会出现贫树脂区及干点等瑕疵，当复合板材受到外力时，基体不能有效的传递外力，进而影响板材的力学性能.1号板材的纤维质量分数最小，由于少量的亚麻纤维对树枝基体的增强不够充分，这也使得复合板材的力学性能大大降低.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!\"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\"!!!!!!!!!!!!!!!!!!\"·科研鉴定·
“C/C刹车盘用三维编织材料的研制”通过市科委验收
由我校杨彩云教授等承担的天津市应用基础研究计划面上项目“C/C刹车盘用三维编织材料的研制”于2008年9月1日通过天津市科委组织的专家验收.
本研究将三维编织体的结构设计理论与样品试制相结合，采用自行编织三维预制体、委托
CVD渗碳处理、性能自行测试与外协测试相结合的研究方法，结合三维预制体的结构参数对性
能测试结果进行分析，探索预制体、致密化工艺与C／C材料性能之间的关系，自行设计、编织多
种不同结构、参数的三维编织体，对其进行渗碳处理和高温热处理，制成C/C复合材料.
专家一致认为：所制备的刹车材料具有优异的层间剪切强度和摩擦系数，对于开发新型高性能C/C刹车材料具有指导意义.该成果具有重要的应用基础研究价值和工程应用意义.
（科技处郭建辉）
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