1、亚麻纤维含量对亚麻纤维增强聚丙烯复合材料隔声性能的影响研究摘要随着人们对绿色和自然的向往，天然纤维作为汽车内饰材料已越来越受到人们的青睐。亚麻纤维复合材料作为理想的高档汽车内饰原材料，如何使其达到轻量化、低成本、高刚度、阻燃的要求，是摆在大家面前的难题。本文主要讨论了亚麻纤维增强聚丙烯热塑板的制备并测试其隔声性能。可得到以下结论：（1）选择一定量的亚麻纤维进行脱胶。（2）通过不同比例的混合方法，使得亚麻纤维和聚丙烯纤维能够均匀地混合梳理成网，纤维质量混合比例准确，亚麻纤维长度选取为4045mm，这样可以减少破碎的现象，且不损伤梳理机的针布。（3）预成型件的两种板材：纯聚丙烯板、亚麻/聚丙烯板。
2、（4）热塑板制备的最佳工艺为纤维质量混合比例4:6、热压温度180、热压压力10MPa、预热压23min，热压时间15min。（5）对亚麻纤维聚丙烯增强体几种不同比例的热塑版的隔声性能进行评价，得到如下结论：加入亚麻纤维的热塑板复合材料比纯聚丙烯热塑板复合材料的隔声性能好。而且随着亚麻纤维含量的增加，聚丙烯的减少，制得的复合材料的隔声性能也越好。通过试验验证了亚麻增强聚丙烯热塑板作为一种新型材料是可行的。关键词：亚麻纤维；热塑板；聚丙烯；隔声性能 AbstractAs people yearn for green and natural, natural fiber as auto inter
3、ior materials have been more and more get the favour of people. Flax fiber composite material as the ideal high-grade car interior materials, how to make it lightweight, low cost, high stiffness, flame retardant, is a difficult problem in front of everyone.This paper mainly discusses the preparation
4、 of flax fiber reinforced polypropylene thermoplastic plate and test their acoustic performance. Can get the following conclusion（1）Choose a certain amount of flax fiber degumming.（2）Through different proportions of mixed method, makes the flax fiber and polypropylene fiber can be evenly mixed comb
5、into the net, fiber quality mixture ratio accurately, flax fiber length selection for 40 45 mm, thus reducing the phenomenon of broken, and does not damage the card clothing.（3）Two kinds of plank in the process of the von berg systeme: pure polypropylene board, flax/pp board.（4）Optimum process for t
6、he fibre quality of the preparation of thermoplastic plate blending ratio 4:6, hot-pressing temperature is 180 , hot-pressing pressure 10 mpa, preheating pressure 2 3 min, hot pressing time 15 min.（5）For several different proportions of flax fiber reinforced polypropylene thermoplastic version of th
7、e sound insulation performance evaluation, get the following conclusion: Join the flax fiber thermoplastic version than pure polypropylene thermoplastic composite materials plate composite material sound insulation performance is good. And with the increase of the content of flax fiber polypropylene
8、 decreases, the sound insulation performance of composite material. Flax reinforced polypropylene thermoplastic plate is verified by experiment is feasible as a new type of material.Key words: Flax fiber; Thermoplastic plate; Polypropylene; Sound insulation performance 目录摘要 2Abstract 3第一章 前言 71.1课题研
9、究的背景 71.2 课题的国内外研究现状及存在的问题 71.2.1 麻纤维增强热塑性复合材料的国内外研究现状 71.2.2 汽车内饰材料的发展历程 111.3 课题研究的内容 121.4 课题的研究目的和意义 13第二章 亚麻/聚丙烯复合材料的制备及性能测试 152.1 增强体的选择及性能介绍 152.1.1亚麻纤维的形态特征 152.1.2亚麻纤维的理化性能 152.1.3亚麻纤维的生态性能 162.2 基体的选择及性能介绍 162.3 热塑板的制备工艺 172.3.1 预成型件的制备 172.3.2 模压成型工艺 192.4 热塑板的隔声性能 222.4.1实验系统装置 222.4.2 实
10、验方案 23第三章 纤维含量对亚麻/聚丙烯复合材料隔声性能的影响 303.1 引言 303.2 实验部分 303.3 结果与讨论 303.3.1 脱胶前后亚麻纤维的基本性能对比 303.3.2 脱胶前后亚麻/聚丙烯复合材料的隔声性能 313.3.3 不同纤维含量亚麻/聚丙烯复合材料的隔声性能 323.4 本章小结 34第四章 总结与展望 354.1 总结 354.2 进一步研究的思路 354.3 应用展望 35参考文献 37致 谢 39第一章 前言1.1课题研究的背景 随着我国经济的稳步发展，汽车产业的发展突飞猛进。2009年，我国汽车产量达到1379.1万辆，首次成为世界汽车产量第一大国；2
11、012年，我国汽车产量达到1927.2万辆，已是连续四年保持全球第一。汽车产业的发展、消费者需求的变化和激烈的市场竞争，对我国汽车内饰材料制造商提出了越来越高的要求。除了功能性( 隔热、吸声、防滑、防污、透气、阻燃、吸水、抗菌、抗老化、防静电、强度高、尺寸稳定、色牢度和耐磨性好) 以及装饰性( 美观、舒适) 之外，具有抗老化性、阻燃性、耐磨损性、隔音性、轻量化、低成本日益成为汽车内饰材料重要的发展趋势。同样，一种无毒气挥发、吸湿变性小、防霉、防潮、防火的内饰材料也是中国的造船业所急需的。复合材料与传统材料相比，具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好及减振性能好等诸多优点。复合材料的各个组
12、成材料在性能上起协同作用，具有单一材料无法比拟的优越综合性能。因此，在汽车工业中，复合材料被广泛应用于车身、灯壳罩、前后护板、保险杠、板弹簧、座椅架及驱动轴等部件的设计与制造。在汽车工业中的复合材料设计应注意3个原则：1）比强度高和比刚度高；2）材料与环境相适应；3）性价比高。本课题通过对国内外研究的充分调研，选择植物纤维中性能较为优良的亚麻纤维和聚丙烯纤维为增强体，制备出力学性能优良，且具有一定可降解性能的热塑板材。通过与麻纤维汽车内饰件的比较和分析，确定这种材料可被用于汽车内饰和轮船内饰的相关产品。由于所制得的复合材料是受热成型，具有塑料的韧性，故命名为热塑板。1.2 课题的国内外研究现状
13、1.2.1 麻纤维增强复合材料的研究现状 随着全球环保意识的强化和 “绿色工程”的兴起，随着人们对麻纤维优良性能的不断认识，麻纤维增强热塑性复合材料的开发应用越来越受到国内外纺织业关注。目前的研究热点集中在以下几个方面：树脂基体、增强体制备、成型工艺及专用生产设备、复合材料的功能性（如耐水性、耐热性、耐冲击性、阻燃性），而研究最多的是对麻纤维表面改性。（1）基体的选择 基体的功能，就是把各种增强材料有机地黏合在一起，发挥传递载荷和均衡载荷的作用。适应于交通运输行业轻量、高速、安全、节能、环保的发展趋势，发达国家车辆制造业一直把树脂基复合材料视为车辆结构的理想材料。福特公司所做的研究阐述了树脂基
14、复合材料在车辆领域应用的可行性，其研究报告称，复合材料可以将零部件减为原来的80%，加工费用相对钢材降低60% ，粘结费用相对焊接减少25%40%，而且树脂基复合材料结构件具有极好的韧性和抗冲撞性能，还可以通过设计实现一些特殊性能要求。目前较常用的热塑性树脂基体有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK) 、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)等1等。聚丙烯作为汽车内饰用复合材料基体受到重视，并被大量应用，这是由以下三点决定：第一，聚丙烯密度小、性价比高、产量大；第二，聚丙烯的化学组成最简单，仅
15、由C和H两种元素构成，是合成纤维中最易回收再利用的纤维；第三，对聚丙烯树脂改性不断取得进展，因而可适合不同的汽车零件的使用性能要求。目前可用于汽车零部件的聚丙烯材料已有多个牌号的品种，可分别作为汽车保险杠、仪表板、方向盘、车门护板、发动机冷却风扇以及车身暖风组件等多种零部件的基体材料。（2）增强体制备方法 麻纤维的利用形态有短纤维增强体、长纤维增强体1。国内外对短纤维增强复合材料的工艺研究已较成熟。长麻纤维复合材料不仅力学性能优于短麻纤维增强复合材料，而且可用于形状复杂的构件成型,使用范围更加广泛。麻纤维在被用于制备增强体之前，一般需要进行预加工，使其形成具备初级强度和形状的增强体坯料。麻纤维
16、增强体的预加工工艺有如下种类（针刺法、化学粘合、针织法、机织法）。其中使用较多的是麻的毡制品，这是因为将麻纤维制备为毡制品的生产流程短，便于工业化生产，对麻纤维的损伤较小，还可以大幅度增加复合材料中增强纤维的含量，应用较长的纤维，从而提高复合材料的力学性能。目前麻纺厂还没有对麻纤维的制毡工艺进行专门的研究，国防科学技术大学对对麻纤维的制毡工艺有一些初步的研究成果，包括麻纤维原丝毡、短切无纺针刺麻毡和麻纤维有捻无纺毡的制备，但制毡过程中也存在很多工艺问题。文献2将亚麻的精干麻、竹纤维、聚丙烯纤维混合梳理铺网制成原丝毡，再经过模压工艺制成板材，所研制的板材均超过了国内天然纤维增强材料及普通工程塑料
17、的要求，故所研制开发的材料具有一定的应用价值和使用前景。（3） 预浸料制备工艺 常温下，热固性树脂呈液体状态，具有较好的浸透性能，可以采用喷淋、浸泡、加压浸注等方式对麻纤维增强体进行浸润。热塑性树脂的黏度远高于热固性树脂，除麻纤维增强体自身形态、密度，以及浸渍压力外，熔体黏度也是浸渍效果的主要影响因素。所以通常采用以下两种浸渍方法：预浸渍法、后浸渍法。经预浸渍法加工的预浸料硬挺且铺覆性差，无粘性，成型加工较困难。通过提高加工温度可降低熔体黏度，但也可能导致树脂分解。后浸渍法适用于熔体黏度很大的热塑性树脂，如聚乙烯、聚丙烯等，该工艺包括：1)混织法 将麻纤维丝束和热塑性树脂纤维丝束混合编织形成织
18、物，当树脂熔融后实行纤维浸渍。2)混纤法将麻纤维和热塑性树脂纤维，均匀混和，并保持增强纤维延展平直，树脂熔融后浸渍。3)包覆纱法热塑性树脂短纤或长丝均匀地缠绕在平行无捻的麻纤维上，外层的树脂对增强纤维有保护作用。此法制备的预型件及其复合材料的孔隙率较低，浸渍效果较好，拉伸强度比混织法制备的复合材料有大幅度提高，达48186 MPa3。（4） 成型工艺 麻纤维复合材料成型工艺主要有热压成型工艺、注塑成型工艺4。文献5就热压成型工艺中热压温度、热压时间、热压压力等工艺参数对亚麻/聚丙烯纤维复合板材性能的影响进行研究，并用方差分析影响程度。文献6研究了在热压工艺中铺层方式、纱线结构以及纤维质量分数等
19、因素对复合材料弯曲性能的影响。文献7-10就麻纤维/聚丙烯复合材料注塑成型工艺中，麻纤维的长度、含量对复合材料力学性能的影响进行了详细的说明。两种工艺各有优缺点，其中热压成型工艺可以加工较长的纤维，而注塑成型工艺的原材料由于要经过造粒工序，故加工的纤维长度较短，只有3-10毫米，且螺杆剪切力对麻纤维的长度及力学性能损失较大，从而影响最终复合材料的隔声性能。（5）麻纤维的表面改性研究复合材料的性能取决于组分的性能和组分间的界面相容性，其中界面的强弱对材料的性能有很大的影响。麻纤维中由于含有大量的羟基而呈现亲水性，而大部分聚合物是憎水的，因而不利于麻纤维与树脂基体的界面粘结。同时亲水性的纤维还容易
20、吸取外界的水分，使材料在使用过程中界面逐渐脱粘，造成性能下降。此外，天然纤维还存在着结构不均匀和尺寸稳定性差的缺陷。因此，在制备麻纤维增强树脂基复合材料前通常需要对纤维进行改性处理，以降低其亲水性及吸湿性,提高复合材料的界面粘结力。目前改性的方法有物理方法和化学方法两种。物理方法：不改变纤维的化学成分，通过影响纤维的结构和表面特性，由此改变纤维和基体的亲和力，常用的物理方法有热、酸、碱、有机溶剂、物理包覆处理等。化学方法：天然植物纤维的化学组成发生变化，并同时改变纤维的结构和表面性能，常用的化学方法有纤维接枝共聚酯化法、界面偶合法等。碱处理法是目前已广泛应用于麻纤维表面处理的物理改性方法。文献
21、11-12 用氢氧化钠、高锰酸钾、二异氰酸甲脂、马来酸酐对剑麻处理，然后制造聚丙烯复合材料，研究结果表明所有的处理方法都会提高聚丙烯复合材料的拉伸性能，其中氢氧化钠溶液处理的效果最好，提高幅度达到20%。文献14研究碱处理对苎麻纤维结构的影响，可以看出碱处理后，纤维的表面形态发生一定的变化，更有利于聚合物的结合。界面偶合法是一类重要的改性方法，与纤维接枝共聚和酯化法不同，界面偶合法不会降低麻纤维的强度。在麻纤维界面偶合改性方法中，常用偶联剂和马来酸酐接枝PP(MAPP)两种改性剂。文献15总结了有代表性的商业硅偶联剂的化学结构、可应用的聚合物体系等相关内容。文献16采用碱、多种硅烷偶联剂处理亚
22、麻，然后制造亚麻/聚乙烯复合材料，作者认为碱、多种硅烷偶联剂处理均可以改善亚麻/聚乙烯复合材料的界面，因而材料力学性能提高明显。文献17采用不同的表面改性剂(苯甲酸、硬脂酸、有机硅烷)对植物纤维/聚丙烯复合体系进行处理。研究结果表明：苯甲酸的加入可以使复合材料的拉伸强度有较大提高，但冲击强度下降；经硬脂酸处理的复合材料，其冲击强度有明显提高；经有机硅烷处理的复合材料，拉伸强度及冲击强度均有所提高。从这些文献可以得出结论，不同的改性方法适应于不同的麻纤维增强聚丙烯复合材料生产工艺，合理选择表面处理工艺可以对复合材料性能产生一定的影响。（6）麻纤维复合材料的耐水性、耐热性研究 其他研究包括复合材料
23、耐水性、耐热性等研究。将剑麻与聚丙烯经注塑成型后的复合材料浸入90的恒温热水中，经过不同时间取出。再对热水浸渍处理后的样品进行拉伸和冲击性能等测试。结果表明复合材料的拉伸模量和拉伸强度都随着浸渍时间的加长而连续下降；相反，材料的冲击强度呈现先增加后下降的趋势。MasudSH18等分别将聚酯、玻璃/聚酯、玻璃/PP、植物纤维/聚酯、植物纤维/ PP五种材料，在0.46MPA的压力下进行热失重的研究，结果表明：纤维素纤维改善了树脂基复合材料的热学性能，使复合材料能承受更高的温度。1.2.2 汽车内饰材料的发展历程汽车内饰材料包括座椅面料、顶篷面料、汽车地毯、铺垫织物、车门内装饰板、虽然只是一些辅助
24、性的零配件，但它们要承担起减震、隔热、吸音等功能，对汽车的乘坐舒适性起着十分重要的作用。汽车内饰对材料的要求：内饰材料应美观、舒适；便于灵活设计，保护乘客安全；使用性良好(耐磨损、易清洗、使用寿命长)；能隔音、减震；成本低。伴随着汽车工业的发展，汽车内装饰材料也经历了三次变革。在本世纪五十年代，当时广泛使用的是乙烯基（pvc）聚合物，现在在性能、舒适性及外观上都难以接受。后来，除了传统的机织物以外，薄膜切条技术将聚乙烯切条纤维与尼龙一起喂入顶端敞开的单面圆纬机编织，而后将织物进行热定型，代替聚乙烯用在福特跑车的座椅上，有较好的拉伸性及外观。但是这洋的织物没有通过所谓的擋跗试验，因此不受欢迎。富
25、于改革的法国人多年来利用高收缩率的聚氯乙烯长丝，采用棉毛结构，生产一种起绒汽车用布，受到极大的欢迎。vol vo19公司最先生产假编聚酰胺单面织物和聚酯织物，也获得了极大的效益。自七十年代，国外采用纺织品代替乙烯基聚合物作为汽车内部装饰材料。至八十年代，乙烯基聚合物的用量份额逐渐减少，有的部位已完全由纺织品代替了乙烯基聚合物。九十年代，也即目前的天然纤维增强聚丙烯复合材料，增强体青睐麻纤维，如：亚麻、亚麻、苎麻、洋麻、剑麻等。麻类天然植物纤维具有高强高模量、密度小、价廉、可回收、可降解等优点，且对人体没有过敏性，在汽车工业中麻纤维增强复合材料主要应用于承受较小载荷且经常接触人体的部件：如车门内
26、装饰板、司机用杂物箱、货车车厢地板、座位靠背，还可以用于仪表板、座椅扶手、仪表板杂件箱、后搁物架、车顶内村、遮阳板、座椅架行李仓装饰板等。汽车工业不断的寻求价格更便宜、重量更轻的新材料，目前的趋势是将麻类纤维应用到汽车内饰材料中，国外一些公司尤其是欧美、日本、印度在这方面已经取得了较大的进展，并逐步走向产业化。以德国BASF公司研究为例，采用亚麻、剑麻和亚麻纤维作为增强材料，与聚丙烯等热塑性塑料复合，制备出天然纤维增强热塑性复合材料(NMTS)，其面密度在500-1800g/m2之间，厚度在2-3mm范围内变化，针刺强度介于20-40针 /cm2，比玻璃纤维增强热塑性塑料轻17%，而且翘曲小，
27、加工方法也比较简单，可作为轿车的内饰件、吸噪声板、备用轮罩等。近年来，利用麻纤维增强聚合物基体的复合材料的研究越来越多。天然纤维复合材料是复合材料领域的一朵奇葩，与玻璃纤维增强复合材料相比，它具有密度低、隔音效果好、可回收、价格低廉、人体亲和性好等优点。德国的BASF公司采用黄麻、剑麻和亚麻纤维为增强材料，与聚丙烯热塑性塑料复合，制备出麻纤维增强塑料毡复合材料（NMTS）20，其密度比玻璃纤维增强的热塑性塑料小17，而且不损失其翘曲性，加工方法简单，生产成本较低，产品广泛应用于汽车工业、建筑工业等领域。长春某汽车内饰复合材料公司采用麻纤维为原料，生产的LoPreFin材料也属于环保型产品，该材
28、料适合生产汽车内饰件覆盖层装饰材料。1.3 课题研究的内容（1）预制件的制备：亚麻聚丙烯纤维能否通过小型梳棉机梳理成网以及亚麻能否和聚丙烯混合均匀。 （2）研究亚麻含量对亚麻/聚丙烯热塑板的隔声性能影响：对在相同的模压压力，模压温度，模压时间下制备不同纤维含量的热塑板隔声性能的研究。（3）对制备的亚麻/聚丙烯热塑板的隔声性能进行测试。 （4）对测试结果进行系统的分析。1.4 课题的研究目的和意义课题主要研究亚麻聚丙烯热塑板的制备工艺并测试其隔声性能，目的是开发高性能且符合环保要求的麻纤维热塑板材，研究意义如下：（1）为汽车内饰行业提供一种高性能、多功能的内饰板材。随着汽车产量的增加和质量的提高
29、，作为汽车内饰产品同样将获得高速发展，对汽车内饰材料提出更高的要求。课题选择植物纤维中性能较为优良的亚麻纤维为增强体，采用不同的方式混杂增强低熔点的聚丙烯，制备出隔声性能优良，且具有一定阻燃性、拒水性、可降解性能的热塑板材，符合汽车内饰行业对材料的要求。（2）环境保护与可持续发展环境保护是我国的一项基本国策，是可持续发展战略的重要内容，直接关系到现代化建设的成败。传统的纤维增强复合材料主要是由玻璃纤维、芳纶和碳纤维等人造合成纤维组成的，它们一般都存在加工困难、耗能大、造价高、易造成环境污染等问题。因此，进入20世纪80年代，人们开始采用自然界取之不尽、用之不竭的可再生生物资源（Biomass
30、renewable resource）天然纤维来制备各类具有优良性价比的复合材料15。利用天然纤维和传统树脂制造产品，不但可以降低生产成本，满足市场的需求，还可以降低能耗，满足可持续发展的要求，因而已成为目前应用最广泛的材料之一。但由于这种复合材料的基体相仍旧是酚醛树脂、聚丙烯等不能降解的高分子聚合物，无论是成型后的复合材料还是其产生的大量边角废料都极难回收利用。由产业和日常生活产生的复合材料废弃物已经成为当今环境污染的一个重要源头。据统计，我国每年的纤维增强复合材料废弃物产量达数百万吨，众多不可回收废弃物的产生对环境的危害非常巨大。这些问题已经引起了全社会的极大关注和强烈反响。另外，2008
31、年北京奥运会已经提出“绿色奥运口号”，这就对复合材料废弃物提出了更高的要求。同时，由于现阶段经济水平和环保投入的限制，大部分复合材料废弃物没有得到彻底安全处理，通常只对废弃物进行填埋和焚烧。但从我国具体国情出发，要解决这一日益严重的环境污染问题，昂贵而会带来二氧化碳的焚烧法和占用大量宝贵土地资源的填埋法显然不是好的途径，必须从源头做起，大力开发和推广天然纤维和生物降解高分子材料复合的完全生物降解复合材料，才是治标又治本的方法，也符合当今环境材料的发展潮流。在此背景下，为解决环境保护和可持续发展问题，本课题立足于可再生、环保资源代替石油的新资源，研究开发经济环保型复合材料，这也是国际复合材料产业
32、发展的一个新动向。（3）拓宽亚麻纤维的用途，为农民增收创造条件。我国麻类纤维资源极其丰富，其中苎麻和亚麻产量占世界第一，利用亚麻开发环境友好的复合材料，不仅为亚麻开发利用找到新的增值途径，而且对增加农民收入、推动我国农业发展做出积极贡献。综上所述，采用亚麻增强制备热塑性复合材料，具有巨大的经济效益、社会效益和生态效益，符合整个社会对材料行业发展的要求；从科学发展观的角度来说，本课题的研究也具有非常重大的意义。第二章 亚麻/聚丙烯复合材料的制备及性能测试复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料中的性能不是组分材料的简单组合，而是一种包括了物理的、化学的、力学的、甚至生物的相互作用的复杂结合过程的结果。因此，需要了解各组分材料的物理性能。2.1 增强体的选择及性
