宛 東，郝加杰，楊發(fā)超

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；3.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

安全和環(huán)保是汽車技術(shù)的重要發(fā)展方向，輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車安全和環(huán)保的重要手段[1-3]。作為輕質(zhì)材料，塑料及其復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾零部件上得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。改性聚丙烯（PP）因密度低、價(jià)格低、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車內(nèi)飾塑料零部件（如儀表板本體、門飾板、立柱飾板等）中使用最多的材料[6-7]。為滿足內(nèi)飾零部件的力學(xué)、成型和使用性能等要求，改性PP中通常會(huì)添加增韌劑、增強(qiáng)劑和各類助劑[8]。但各種填料尤其是增強(qiáng)填料（如滑石粉、碳酸鈣等無機(jī)物）的添加，使得材料的密度有所增大，不利于輕量化。同時(shí)受到聚合物自身和填料的影響，傳統(tǒng)改性PP存在的氣味性較差、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）較多等問題逐漸顯現(xiàn)出來，因此開發(fā)低密度、環(huán)保、氣味性好的汽車內(nèi)飾新材料，具有較好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

植物纖維復(fù)合材料是秸稈、麻、木材、竹子等植物纖維與聚烯烴塑料共混改性后，擠出制成的一種材料，具有成本低、力學(xué)性能好、氣味性好等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)、高鐵、汽車內(nèi)飾零件上具有廣泛的應(yīng)用前景[9-10]。Takagi等人[11]的研究表明，蕉麻纖維的含量為29%~72%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈近乎線性增加，最大值可達(dá)到200MPa。Feng等人[12]將劍麻纖維（SFs）、甘蔗渣纖維（SEBFs）與聚丁二酸丁二酯（PBS）復(fù)合材料混合在一起，研究結(jié)果表明，纖維含量相對(duì)較低時(shí)，纖維可以均勻地分散在樹脂基質(zhì)中。Liang等人[13]研究了洋麻纖維（KF）含量對(duì)KF/PBS復(fù)合材料的力學(xué)性能和結(jié)晶行為的影響，結(jié)果顯示，KF添加量為30%時(shí)，KF/PBS復(fù)合材料的拉伸模量提高了53%。Deng等人[14]研究了偶聯(lián)劑種類對(duì)KF/PP復(fù)合材料機(jī)械性能的影響，馬來酸聚丙烯（MAPP）可有效改善復(fù)合材料的機(jī)械性能。張建、朱碧華等人[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈纖維與PVC樹脂之間的結(jié)合較好，內(nèi)部缺陷較少，因此秸稈纖維復(fù)合材料具有較佳的力學(xué)性能。周松等人[17]的研究表明，BF/PP復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度的增幅高于純PP。

但植物纖維的界面特性復(fù)雜，其主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中，含有大量的極性羥基和酚羥基官能團(tuán)，化學(xué)極性強(qiáng)，吸水性強(qiáng)[18]，使得植物纖維復(fù)合材料注塑產(chǎn)品的收縮率高，成型精度較差。添加無機(jī)填料可有效改善復(fù)合材料的產(chǎn)品成型收縮率，但同時(shí)也增加了材料密度。采用微孔發(fā)泡工藝制得的注塑制品，內(nèi)部具有致密均勻的微孔，密度低，強(qiáng)度韌性較好，目前已得到廣泛應(yīng)用[19]。其中的化學(xué)發(fā)泡工藝是在聚合物中加入化學(xué)發(fā)泡劑，發(fā)泡劑在高溫樹脂混合熔體的作用下，分解產(chǎn)生氣體并融入熔體中，當(dāng)熔體進(jìn)入模腔時(shí)，由于壓力降低，氣體從熔體中逸出而在制品中形成微孔[20]。李春艷等人[21]研究了材料組分對(duì)PP發(fā)泡材料性能的影響，結(jié)果表明，含量適當(dāng)?shù)母男越M分可以提高泡孔成核率，促進(jìn)發(fā)泡。王濱等人的研究表明，發(fā)泡劑含量增加時(shí)，微發(fā)泡復(fù)合材料的密度降低，泡孔結(jié)構(gòu)變差，制品表面會(huì)產(chǎn)生缺陷。Bledzki等人[22]研究了植物纖維含量對(duì)微發(fā)泡復(fù)合材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，指出放熱型發(fā)泡劑可以改善泡孔的微觀結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。Tugiman等人[23]制備了PP/稻草微發(fā)泡復(fù)合材料，研究結(jié)果表明，稻草含量為20%時(shí)，泡孔結(jié)構(gòu)較好。夏星蘭[24]研究了材料組分對(duì)秸稈纖維/PVC微發(fā)泡復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，秸稈纖維與 PVC的配比為 3∶7時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。Babaei等人[25]研究了納米黏土（NC）含量對(duì)HDPE/麥草粉（WSF）復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，NC可以減小泡孔尺寸，增大泡孔密度；隨著NC的含量增加，拉伸強(qiáng)度先升高后降低，彎曲強(qiáng)度則逐漸降低。Lee等人[26]以木纖維和高密度聚乙烯為原料，研究了NC含量對(duì)木纖維/HDPE微孔發(fā)泡材料的泡孔尺寸和分布的影響。結(jié)果表明，NC在復(fù)合材料內(nèi)部充當(dāng)了異相成核劑，含量適合的NC可使泡孔尺寸減小，分布均勻性較好。

綜上所述，改性PP材料的成本低，力學(xué)性能好；秸稈纖維的成本低且環(huán)保，秸稈植物纖維復(fù)合材料的氣味性好，VOC含量低；微孔發(fā)泡材料的密度低，耐沖擊性能好。為此本文以秸稈纖維/滑石粉/PP微孔發(fā)泡復(fù)合材料為研究對(duì)象，基于正交實(shí)驗(yàn)方法，研究各組分對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并得出復(fù)合材料體系的優(yōu)化配方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚丙烯PP(牌號(hào)K7726H)，秸稈纖維/PP母粒(50% PP，0.178mm)，偶氮二甲酰胺（AC，A80），滑石粉（Talc，0.15mm）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

101A-1型干燥箱，SHR-10型混料機(jī)，SHJ-20型雙螺桿擠出機(jī)，CMT6104型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，GDHSX-010A型可編程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱，XJUD-5.5型懸臂梁沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)，JSM-IT300型掃描電子顯微鏡，HDX50型單螺桿注塑機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

按不同的質(zhì)量配比，將實(shí)驗(yàn)原材料在85℃下干燥2h，再高速混合5min后，在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒。擠出機(jī)的工藝條件：機(jī)頭溫度185℃，Ⅰ區(qū)溫度 190℃，Ⅱ區(qū)溫度 195℃，Ⅲ區(qū)溫度 195℃，Ⅳ區(qū)溫度 195℃，喂料機(jī)轉(zhuǎn)速 5r?min-1，主機(jī)轉(zhuǎn)速5.5r?min-1。

造粒后的復(fù)合材料置于恒溫干燥箱中烘干2h后，按一定配比與AC發(fā)泡劑在混料機(jī)中混合5min，然后在注塑機(jī)中進(jìn)行閉模微發(fā)泡注塑成型，制備測試所需的標(biāo)準(zhǔn)樣條。

材料的力學(xué)性能分別按GB/T 1040?2006、 GB/T 341?2008、GB/T 2843?2008 的規(guī)定進(jìn)行測試。

1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以滑石粉、秸稈纖維、發(fā)泡劑的質(zhì)量含量及注塑溫度為正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)4因素4水平正交實(shí)驗(yàn)表如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表確定的實(shí)驗(yàn)方案，按照相同的實(shí)驗(yàn)過程，完成16組試樣的制備及性能測試，得到的正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得相應(yīng)的K、k及R值。其中K值和k值反映了該因素對(duì)這項(xiàng)性能指標(biāo)的影響趨勢，R值則反映了該因素對(duì)這項(xiàng)性能指標(biāo)的影響程度，R值越大則該因素對(duì)這項(xiàng)性能指標(biāo)的影響程度越大[27]。

表2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后可知，各因素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋喊l(fā)泡劑含量＞滑石粉含量＞注塑溫度＞秸稈纖維含量。根據(jù)不同內(nèi)飾零件的性能要求，以拉伸強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)配方為A4B2C4D1。各因素對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋夯酆浚窘斩捓w維含量＞發(fā)泡劑含量＞注塑溫度，以彎曲強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)配方為A3B3C2D1。各因素對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋鹤⑺軠囟龋净酆浚景l(fā)泡劑含量＞秸稈纖維含量，以沖擊強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)配方為A4B2C3D1。

2.2 滑石粉含量對(duì)力學(xué)性能的影響

基于影響曲線的分析方法，做出各因素對(duì)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖劑強(qiáng)度的影響曲線如圖1所示。由圖1可知，滑石粉含量與復(fù)合發(fā)泡材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)呈正相關(guān)的關(guān)系，即隨著滑石粉的含量增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能總體上也在提高。

圖1 力學(xué)性能指標(biāo)的影響曲線圖

圖2是滑石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%和10%的PP復(fù)合材料的斷面SEM圖。由圖2可知，未添加滑石粉的PP發(fā)泡材料，其斷面上的泡孔孔徑較大，泡孔形狀不規(guī)則，泡孔密度較小。含有10%滑石粉的PP復(fù)合材料，其泡孔密度較大，說明滑石粉起到了成核作用，在PP基體中均勻分散的滑石粉成核劑周圍，形成了孔徑較小、分布均勻的微孔，從而提升了材料的力學(xué)性能。

圖2 PP/Talc復(fù)合材料的微觀分析圖

2.3 秸稈纖維含量對(duì)力學(xué)性能的影響

由圖1可知，隨著秸稈纖維的添加量增大，材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)呈現(xiàn)出先增大后減弱的趨勢，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度均在B2、B3（分別對(duì)應(yīng)秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)中的5%、10%）時(shí)達(dá)到最大值。圖3是秸稈纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%和10%的PP復(fù)合材料的斷面SEM圖。由圖3可知，加入秸稈纖維后，復(fù)合材料的泡孔分布均勻，密度較大，泡孔孔徑較小，表明秸稈纖維對(duì)復(fù)合材料的發(fā)泡具有促進(jìn)作用。但泡孔并非只存在于秸稈周圍，說明秸稈纖維對(duì)于泡孔形核有一定的作用，但并非完全是形核作用。另外，秸稈纖維的分布并不均勻，因此秸稈纖維含量過大可能會(huì)導(dǎo)致秸稈纖維團(tuán)聚，造成力學(xué)性能下降。

圖3 PP/秸稈纖維復(fù)合材料的微觀分析圖

2.4 發(fā)泡劑含量對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，隨著AC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度總體上呈增長的態(tài)勢，拉伸強(qiáng)度在C4（對(duì)應(yīng)發(fā)泡劑AC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%）時(shí)達(dá)到最大值19.9MPa，沖擊強(qiáng)度在C3（對(duì)應(yīng)發(fā)泡劑AC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）時(shí)達(dá)到最大值10MPa。彎曲強(qiáng)度的變化趨勢則有所不同，隨著發(fā)泡劑AC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，其最大彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)在C2（對(duì)應(yīng)發(fā)泡劑AC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）時(shí)，為28MPa。

圖4為不同AC含量下復(fù)合材料試樣的斷面SEM圖。由圖4可知，AC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，材料的泡孔孔徑較大，分布不均勻，泡孔密度較小，泡孔形狀以橢圓形為主；AC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，泡孔的孔徑尺寸減小，泡孔分布比AC含量為2%時(shí)更加均勻，泡孔密度增大；AC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，泡孔的孔徑尺寸最小，泡孔密度大，泡孔分布十分均勻，泡孔形狀十分規(guī)則，以圓形泡孔為主。發(fā)泡劑AC的使用量增多，泡孔隨之增加，相鄰泡孔之間存在相互作用，限制了各自泡孔孔徑的擴(kuò)張，因此復(fù)合發(fā)泡材料的泡孔孔徑很小，分布密集，發(fā)泡效果很好。當(dāng)復(fù)合發(fā)泡材料受到外界拉伸或沖擊作用時(shí)，材料內(nèi)部存在的泡孔結(jié)構(gòu)可以有效地鈍化材料產(chǎn)生的裂紋和缺口，泡孔的存在可以在很大程度上延緩裂紋和缺口向材料中心區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展的趨勢[28]。但隨著泡孔增多，泡孔壁變薄，材料的剛性下降，彎曲強(qiáng)度下降。

圖4 PP/Talc/秸稈纖維復(fù)合材料的微觀分析圖

2.5 注塑溫度對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，隨著注塑溫度升高，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度都呈現(xiàn)下降的趨勢，各項(xiàng)性能都在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定的最低注塑溫度180℃下達(dá)到最高值，分別為 18.8MPa、26.6MPa、11.5MPa。圖 5 為不同的注塑溫度下復(fù)合材料的拉伸試樣，由圖5可知，隨著注塑溫度升高，試樣的表面顏色逐步加深，注塑溫度為240℃時(shí)，試樣表面已出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。原因是秸稈纖維的耐溫性比較差，注塑溫度較高時(shí)，秸稈纖維在注塑機(jī)螺桿內(nèi)熔融時(shí)已出現(xiàn)部分焦化情況，從而影響了秸稈纖維與樹脂基體的結(jié)合，導(dǎo)致注塑出來的樣品的力學(xué)性能較差。

圖5 不同注塑溫度下的試樣對(duì)比

3 結(jié)論

本文采用正交實(shí)驗(yàn)，研究了材料的組分對(duì)汽車內(nèi)飾用微孔PP/秸稈纖維/Talc復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，并確定了以不同的力學(xué)性能指標(biāo)為目標(biāo)的優(yōu)化配方組合，得出了以下結(jié)論：

1）各因素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋喊l(fā)泡劑含量＞滑石粉含量＞注塑溫度＞秸稈纖維含量，以拉伸強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)配方為A4B2C4D1。對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋夯酆浚窘斩捓w維含量＞發(fā)泡劑含量＞注塑溫度，以彎曲強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)配方為A3B3C2D1。對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋鹤⑺軠囟龋净酆浚景l(fā)泡劑含量＞秸稈纖維含量，以沖擊強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)配方為A4B2C3D1。

2）在復(fù)合材料的配方體系中，隨著滑石粉的含量增多，復(fù)合材料的力學(xué)性能總體上也在提高?；燮鸬搅顺珊俗饔?，使得微孔復(fù)合材料的泡孔增多且分布均勻。

3）在復(fù)合材料的配方體系中，隨著秸稈纖維的添加量增大，各項(xiàng)力學(xué)性能先增加后降低。秸稈纖維對(duì)復(fù)合材料的發(fā)泡具有促進(jìn)作用，但并非完全是形核作用。

4）隨著AC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度總體在增加，但彎曲強(qiáng)度下降。

5）秸稈纖維的耐溫性較差，注塑溫度較高時(shí)易發(fā)生焦化，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。