基于氣流成網(wǎng)技術(shù)的紅麻/聚丙烯汽車內(nèi)飾板材的研制*

趙燕燕 鄭來(lái)久

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，大連，116034)

基于氣流成網(wǎng)技術(shù)的紅麻/聚丙烯汽車內(nèi)飾板材的研制*

趙燕燕 鄭來(lái)久

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，大連，116034)

采用氣流成網(wǎng)技術(shù)將紅麻/聚丙烯(PP)纖維開(kāi)松混合后制成纖網(wǎng)，以針刺、熱壓成型工藝制造汽車內(nèi)飾板材。研究了成網(wǎng)過(guò)程中紅麻和PP纖維的混比、成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度和氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度等工藝參數(shù)對(duì)紅麻/PP纖維復(fù)合汽車內(nèi)飾板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等性能的影響。試驗(yàn)確定了最佳的成網(wǎng)工藝參數(shù):紅麻/PP纖維質(zhì)量比35/65、成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度2.5 m/min、氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度900 r/min。在最優(yōu)工藝條件下制得的紅麻/PP復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度為31.02 MPa、拉伸強(qiáng)度為 19.98 MPa、沖擊強(qiáng)度為 1.30 kJ/m2。

紅麻，聚丙烯纖維，氣流成網(wǎng)，汽車內(nèi)飾材料，性能

近年來(lái)汽車內(nèi)飾材料逐漸向綠色、環(huán)保、低碳的方向發(fā)展［1-3］。傳統(tǒng)的汽車內(nèi)飾件主要以通用塑料［聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)］為主，這些材料不易降解、不能再生，因此開(kāi)發(fā)以可降解的天然纖維為原材料的汽車內(nèi)飾材料成為一種研究趨勢(shì)［4-7］。天然纖維中的紅麻質(zhì)輕、價(jià)廉、可生物降解、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，并且具有較高的比強(qiáng)度和比模量，可與熱熔型纖維結(jié)合開(kāi)發(fā)出環(huán)保汽車內(nèi)飾材料，該類材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量和耐沖擊等性能［8-9］。印度率先將紅麻復(fù)合材料應(yīng)用到了汽車領(lǐng)域，隨后歐、美、日本等研發(fā)了以亞麻、大麻為增強(qiáng)體的新型高強(qiáng)度材料［10］。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者對(duì)麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了一定的研究，但尚未見(jiàn)到有關(guān)采用氣流成網(wǎng)，再針刺、熱壓的方法研制紅麻/PP汽車內(nèi)飾板材的報(bào)道。氣流成網(wǎng)法是利用空氣流輸送纖維，對(duì)纖維損傷小，纖維呈無(wú)序雜亂排列，可提高纖網(wǎng)中纖維的各向同性，降低纖網(wǎng)縱橫向強(qiáng)力比，從而提高最終產(chǎn)品的性能。

本文以紅麻纖維為增強(qiáng)體、PP纖維為基體，采用氣流成網(wǎng)技術(shù)，再針刺、熱壓的方法開(kāi)發(fā)紅麻/PP汽車內(nèi)飾板材。主要對(duì)氣流成網(wǎng)過(guò)程中紅麻和PP纖維的混比、成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度和氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度等工藝參數(shù)進(jìn)行研究，確定了較好的制造工藝。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

紅麻纖維:直徑 15 ～25 μm，相對(duì)密度 1.211，斷裂伸長(zhǎng)率2%;

PP纖維:6.6 dtex×66 mm，單纖維強(qiáng)度485 mN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率28%。

1.2 設(shè)備和儀器

成網(wǎng)機(jī)，Oerlikon Neumag公司;

BG311-330針刺機(jī);

熱風(fēng)黏合烘箱，德國(guó)S﹠M公司;

SFU017系列多筒式除塵機(jī)組;

DPE-10/12/16A/B/C系列搖臂式液壓截?cái)鄼C(jī);

YG028-300型電子強(qiáng)力機(jī)。

1.3 工藝流程

纖維開(kāi)松→混合→氣流成網(wǎng)→ 針刺加固→熱壓黏合→冷卻成型。

1.4 測(cè)試方法

(1)彎曲性能按GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定;

(2)拉伸性能按GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定;

(3)懸臂梁沖擊性能按GB/T 1843—1996《塑料懸臂梁沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定。

1.5 氣流成網(wǎng)單因素試驗(yàn)

通過(guò)改變纖維成網(wǎng)工藝參數(shù)，對(duì)在不同參數(shù)值下形成的纖網(wǎng)進(jìn)行相同工藝的針刺和熱壓黏合，冷卻后得到紅麻/PP復(fù)合板。以板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度為檢測(cè)指標(biāo)，分別以紅麻和PP纖維的混比、成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度和氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度為考察因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。分析各因素對(duì)板材性能的影響，確定最佳的成網(wǎng)工藝。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料混比對(duì)板材性能的影響

在氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度為800 r/min，成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度為2.5 m/min，主錫林速度為2 200 r/min，工作輥/剝棉輥速度為25 r/min，橫向吹風(fēng)機(jī)速度為800 r/min試驗(yàn)條件下，考察紅麻/PP纖維混比對(duì)板材性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 原料混比對(duì)板材性能的影響

由圖1可知，麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨紅麻纖維含量的增加先增強(qiáng)后減弱。在紅麻/PP纖維質(zhì)量比為35/65時(shí)，板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為 30.82 MPa、15.31 MPa 和 1.35 kJ/m2。這是因?yàn)楫?dāng)紅麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于35%時(shí)，紅麻纖維之間相互作用較弱，纖維間纏結(jié)程度低，作為增強(qiáng)纖維其增強(qiáng)效果不佳;當(dāng)紅麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于35%時(shí)，起熱熔黏合作用的PP纖維含量減少，導(dǎo)致麻纖維之間的黏合點(diǎn)減少，紅麻/PP板材的力學(xué)性能下降;當(dāng)紅麻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，起增強(qiáng)作用的紅麻纖維和起熱熔黏合作用的PP纖維混合較為均勻，板材的應(yīng)力分布也相對(duì)均勻，強(qiáng)度得到提高，紅麻/PP板材的力學(xué)性能最優(yōu)。

2.2 成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度對(duì)板材性能的影響

在氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度為900 r/min，紅麻/PP纖維質(zhì)量比為35/65，主錫林速度為2 200 r/min，工作輥/剝棉輥速度為25 r/min，橫向吹風(fēng)機(jī)速度為800 r/min試驗(yàn)條件下，考察成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度對(duì)板材性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度對(duì)板材性能的影響

由圖2可知，麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度增加而減小，其原因有兩方面。

第一，輸送簾的作用主要是負(fù)責(zé)帶走成網(wǎng)風(fēng)道(圖3)中落下的纖維形成的高蓬松纖網(wǎng)。成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度提高，成網(wǎng)風(fēng)道中單位時(shí)間內(nèi)下落的纖維量不變，此時(shí)落在輸送簾上的纖網(wǎng)面密度降低，纖維層內(nèi)存在局部空缺，使纖維層均勻性下降。又因?yàn)槌删W(wǎng)機(jī)和前方設(shè)備對(duì)纖網(wǎng)均勻度沒(méi)有補(bǔ)償功能，若纖網(wǎng)的均勻度差，形成的板材應(yīng)力分布不均勻，板材的力學(xué)性能也變差。

第二，成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度提高導(dǎo)致前方設(shè)備生產(chǎn)速度相應(yīng)提高，特別是熱壓黏合烘箱內(nèi)輸送簾速度提高，減少了熱熔黏合纖維(PP纖維)在烘箱內(nèi)的加熱時(shí)間，熔融的PP纖維量減少，致使麻纖維之間的黏合點(diǎn)減少，導(dǎo)致板材的力學(xué)性能下降。

為了保證實(shí)際生產(chǎn)速度，成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度最低控制在2.5 m/min，此時(shí)紅麻/PP板材的彎曲強(qiáng)度為30.87 MPa、拉伸強(qiáng)度為19.87 MPa、沖擊強(qiáng)度為1.30 kJ/m2，可滿足汽車行業(yè)質(zhì)量指標(biāo)的要求。

圖3 成網(wǎng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)模型

2.3 氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度對(duì)板材性能的影響

在成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度為2.5 m/min，紅麻/PP纖維質(zhì)量比為35/65，主錫林速度為2 200 r/min，工作輥/剝棉輥速度為25 r/min，橫向吹風(fēng)機(jī)速度為800 r/min試驗(yàn)條件下，考察氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度對(duì)板材性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度對(duì)板材性能影響

由圖4可知，麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度的增加而增強(qiáng)。從圖3成網(wǎng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)模型中可以看出，在成網(wǎng)簾下方有抽吸氣流存在，氣流的大小由下風(fēng)機(jī)速度決定。隨下風(fēng)機(jī)速度的增加，網(wǎng)簾下方的抽吸氣流增大，導(dǎo)致網(wǎng)簾下方的負(fù)壓值增大，負(fù)壓值增大后對(duì)從錫林表面脫離的纖維的吸力增大，在輸出網(wǎng)簾速度不變的情況下，纖網(wǎng)的面密度增加，均勻性得到提高，最終麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都得到提高。當(dāng)下風(fēng)機(jī)速度為600 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值約為250 Pa，負(fù)壓較小，對(duì)成網(wǎng)簾上纖維的吸力較小，使錫林與成網(wǎng)簾之間的纖維隨氣流的擾動(dòng)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生纏結(jié)，導(dǎo)致纖網(wǎng)產(chǎn)生云斑、破洞等疵點(diǎn)，嚴(yán)重降低了纖網(wǎng)和板材的質(zhì)量;當(dāng)下風(fēng)機(jī)速度為1 000 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)壓值約為1 000 Pa，負(fù)壓較大，對(duì)成網(wǎng)簾上纖維的吸力增大，使從錫林表面脫離的纖維箭簇狀落于成網(wǎng)簾上，不利于纖維的釋放伸展和纖網(wǎng)的高蓬松，即不利于形成均勻的纖網(wǎng)，會(huì)降低板材的力學(xué)性能。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度一般控制在900 r/min左右。

3 結(jié)論

對(duì)原料混比、成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度和氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度三個(gè)成網(wǎng)工藝參數(shù)的研究表明:

(1)紅麻/PP纖維的質(zhì)量比在35/65時(shí)，板材的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等達(dá)到最優(yōu)。

(2)成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度的提高會(huì)降低板材質(zhì)量，速度控制在2.5 m/min時(shí)，板材質(zhì)量能夠滿足汽車行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求。

(3)提高氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度，如達(dá)到900 r/min，在一定程度上可以提高氣流成網(wǎng)機(jī)產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)用上述單因素試驗(yàn)確定的最佳工藝參數(shù)是:紅麻/PP纖維質(zhì)量比35/65、成網(wǎng)機(jī)輸送簾速度2.5 m/min、氣流成網(wǎng)機(jī)下風(fēng)機(jī)速度900 r/min。在該工藝條件下制得的紅麻/PP板材，其彎曲強(qiáng)度為31.02 MPa、拉伸強(qiáng)度為19.98 MPa、沖擊強(qiáng)度為1.30 kJ/m2。

以紅麻纖維作為增強(qiáng)材料，PP纖維作為熱熔黏合纖維，采用氣流成網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間，有望在汽車內(nèi)飾材料方面得到更廣泛的應(yīng)用，這將為麻纖維的綜合利用提供新的途徑。

［1］何婷婷，鄭來(lái)久.基于釋放負(fù)離子紅麻纖維汽車內(nèi)飾材料研究［J］.中國(guó)麻業(yè)科學(xué)，2011，33(3):122-131.

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Research on kenaf/PP fiber composite car interior plate by airlaid technique

Zhao Yanyan，Zheng Laijiu
(Textile and Materials Engineering Institute，Dalian Polytechnic University)

Kenaf and PP fibers were opened and mixed to be produced web by airlaid technique and be manufactured car interior plate by needle-punching process and thermal-calender forming technique.The influence of mixing ratio and web-forming speed and velocity of draft fan on bending strength and stretch strength as well as bursting strength of kenaf/PP fiber composite car interior plate were studied.Throughout test the optimum web-forming technique parameters were defined，mass ratio of kenaf/PP fiber was 35/65，convey speed of web-forming was 2.5 m/min and velocity of draft fan was 900 r/min.Under the excellent technique condition the bending strength of the produced kenaf/PP composite plate was 31.02 MPa and the stretch strength was 19.98 MPa as well as impact strength was 1.30 kJ/m2.

kenaf，polypropylene fiber，airlaid web-forming，car interior material，performance

TS176+.5

A

1004－7093(2011)09－0011－04

*遼寧省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(LT2010010);遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2008S020)

2011－07－18

趙燕燕，女，1985年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)樘烊焕w維生物技術(shù)。

鄭來(lái)久，E-mail:fztrxw@dlpu.edu.cn