摘 要：針對黃麻纖維增強聚氨酯復合材料，選取了主要可控工藝參數(shù)纖維質量分數(shù)、纖維長度、模壓壓力和纖維表面處理方法作為試驗因素，設計了三水平四因素的正交試驗，并依據(jù)國標要求進行了拉伸、彎曲和沖擊等方面的力學性能試驗。通過對試驗結果進行極差分析，研究了各種工藝參數(shù)對黃麻纖維增強聚氨酯復合材料力學性能的影響情況，并找出了針對不同力學性能指標的最優(yōu)工藝參數(shù)組合方案，為提高制品的力學性能提供了工藝改進依據(jù)。
關鍵詞：黃麻纖維；聚氨酯復合材料；正交試驗；力學性能
0 引言
隨著新能源汽車的大力提倡和政策推廣，輕量化、低成本的汽車結構件受到大量關注和研究。其中，聚氨酯塑料通過纖維增強方式進行力學性能提升，具有低密度、高比強度、隔熱與緩沖性能優(yōu)良等特點，廣泛運用于汽車工業(yè)[1-3]。
許多學者針對聚氨酯復合材料的增強纖維在其材料力學性能方面的改性作用開展了研究。夏敏等[4]對玻璃纖維、碳纖維、天然纖維等多種不同纖維材料對聚氨酯泡沫基體的改性效果進行了綜述。相比之下，植物纖維作為增強材料，具有成本低、可降解等優(yōu)點，也受到了許多學者的青睞。王戈等[5]研究了不同纖維改性方法對復合材料界面的影響情況。Abdullah-Al-Kafi等[6]研究了不同含量的黃麻纖維對增強聚酯基復合材料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)黃麻纖維含量的增加可以提高復合材料的拉伸性能。張蔚等[7]則專門針對增強黃麻纖維對聚氨酯復合材料的彎曲性能的影響因素開展了試驗研究和工藝參數(shù)優(yōu)化。
本文主要針對黃麻纖維增強聚氨酯復合材料的拉伸、彎曲和沖擊等方面的綜合力學性能進行研究，通過正交試驗方法進行極差分析，并提出最佳工藝參數(shù)組合，為該材料在汽車領域的推廣應用提供理論參考。
1 試驗試樣制備
1.1 試驗材料
黃麻纖維：選取黃麻纖維為增強纖維，其規(guī)格為單纖維細度6支，水分≤0.1%，雜質≤0.1%，由于麻纖維中含有大量的羥基而呈現(xiàn)親水性，因此生產(chǎn)制備前必須對纖維進行前處理，改善纖維與基體的相容性[8]。本文采用堿液、偶聯(lián)劑以及堿液和偶聯(lián)劑復合處理這3種改性方法對黃麻纖維進行表面處理，圖1為不同方式處理后的黃麻纖維。
聚氨酯：聚醚多元醇（平均官能度4左右），復配延遲催化劑YC-10.8質量份，水0.6～1.0質量份，物理發(fā)泡劑5～8質量份，泡沫穩(wěn)定劑B8870 1.0～2.0質量份，異氰酸酯指數(shù)1.05～1.15。
1.2 試驗設備及儀器
聚氨酯長纖維增強注射成套加工設備：LFI RIM Star 16/40型，德國Krauss-Maffei公司生產(chǎn)，如圖2所示。
開模澆注鋁模：模內(nèi)腔尺寸為1200mm×500mm×8mm，可通循環(huán)水控制模具的溫度，如圖3所示。
拉伸、彎曲性能測試儀器：電子萬能材料試驗機，CSS-44100，最大負荷100kN。
沖擊性能測試儀器：簡支梁式非金屬材料擺錘式?jīng)_擊試驗機，XJJ-50，量程0～7.5J，精度0.03J。
1.3 試樣制備
本次黃麻纖維增強聚氨酯復合材料力學性能測試試樣全部在復合材料制品上截取，復合材料試樣的尺寸要嚴格參照國標的要求，如圖4所示。
2 試驗過程
2.1 試驗設計
正交試驗分析方法是研究多因素多水平的一種設計分析方法，利用標準化正交表來安排與分析多因素試驗方案，可減少多因素分析中的試驗組合，是目前使用較多的一種工藝優(yōu)化試驗設計和分析方法[9-10]。
本試驗中復合材料制備方案采用正交試驗設計L9（34）。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗及實際需要，選取了纖維含量、纖維長度、成型壓力、纖維表面處理方法4個試驗因素[11-12]，每個因素按照實際生產(chǎn)情況選取3個水平，各因素水平如表1所示。
2.2 試驗方法
試樣外觀檢查與狀態(tài)調節(jié)參照GB/T 1446-2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》中的規(guī)定，試驗溫度為（23±2）℃，相對濕度為（50±10）%。拉伸、彎曲和沖擊性能測試分別按照GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸試驗方法》、GB/T 1449-2005《纖維增強塑料彎曲試驗方法》和GB/T 1451-2005《纖維增強塑料簡支梁式?jīng)_擊韌性試驗方法》中的規(guī)定執(zhí)行，并按照表1設計的組合方式各進行9組試驗，每組試驗均進行5次，取平均值作為試驗結果。
3 試驗結果分析
3.1 拉伸性能綜合分析
選取拉伸強度和拉伸彈性模量為黃麻纖維復合材料拉伸性能評價指標，按照上節(jié)正交試驗設計的試驗組合，進行9組正交試驗。采用綜合評分法進行評價，評分結果和綜合分數(shù)如表2所示。
結合表2試驗結果，通過綜合評分法分析可以看出，黃麻纖維復合材料拉伸性能影響因素主次順序為C、F、E、D，我們從抗拉強度和拉伸彈性模量這兩方面去尋求各個工藝參數(shù)對拉伸性能的影響規(guī)律，最終綜合評價模型所得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為C3F3E1D2，即纖維質量分數(shù)為15%、纖維表面處理方法為復合處理、模壓壓力為80t、纖維長度為25mm，這恰好是已做過的正交試驗中的第8組試驗，其綜合分數(shù)最高。
3.2 彎曲性能綜合分析
選取彎曲強度和彎曲彈性模量為黃麻纖維復合材料彎曲性能評價指標，按照上節(jié)正交試驗設計的試驗組合，進行9組正交試驗。采用綜合評分法進行評價，評分結果和綜合分數(shù)如表3所示。
結合表3試驗結果，通過綜合評分法分析可以看出，黃麻纖維復合材料彎曲性能影響因素主次順序為F、C、E、D，我們從彎曲強度和彎曲彈性模量這兩方面去尋求各個工藝參數(shù)對彎曲性能的影響規(guī)律，最終綜合評價模型所得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為F3C3E1D2，即纖維表面處理方法為復合處理、纖維質量分數(shù)為15%、模壓壓力為80t、纖維長度為25mm，這恰好是已做過的正交試驗中的第8組試驗，其綜合分數(shù)最高。
3.3 沖擊性能分析
選取沖擊韌性為黃麻纖維復合材料沖擊性能評價指標，同樣按照上節(jié)正交試驗設計的試驗組合，進行9組正交試驗。極差分析結果如表4所示。
從表4我們可以看出，黃麻纖維復合材料沖擊性能影響因素主次順序為F、E、D、C。當纖維質量分數(shù)為15%，纖維長度為12.5mm，模壓壓力為80t，處理方法選用堿液處理時復合材料沖擊性能最好，即最優(yōu)方案為F1E1D1C3。
分析得出的最優(yōu)工藝參數(shù)組合不在所設計的正交試驗中，與理論最優(yōu)方案最接近的試驗方案為第1組試驗的工藝參數(shù)方案，僅在纖維質量分數(shù)這個因素上存在差異，這可能是由于存在試驗誤差而導致的。
3.4 力學性能綜合評價
從上述針對黃麻纖維增強聚氨酯復合材料試樣拉伸、彎曲和沖擊性能的試驗研究與分析中可以看出，拉伸性能和彎曲性能的最優(yōu)方案與正交試驗中設計的第8組工藝參數(shù)組合方案相同；沖擊性能最優(yōu)方案與正交試驗中設計的第1組工藝參數(shù)組合方案最接近。
結合汽車內(nèi)飾件對復合材料制品性能的具體要求，最終確定本次試驗的綜合力學性能最優(yōu)方案為纖維質量分數(shù)15%、纖維長度25mm、模壓壓力80t、纖維表面處理方法為復合處理。
4 結論
（1）影響黃麻纖維增強聚氨酯復合材料力學性能的主要因素包括C（纖維質量分數(shù)）、D（纖維長度）、E（模壓壓力）和F（纖維表面處理方法），文中針對以上4項工藝參數(shù)對材料力學性能的影響開展具體研究。
（2）通過多指標正交試驗的極差分析結果可知，影響黃麻纖維增強聚氨酯復合材料拉伸綜合性能的影響因素主次順序為C＞F＞E＞D；影響其綜合彎曲性能的影響因素主次順序為F＞C＞E＞D；影響其沖擊韌性的影響因素主次順序為F＞E＞D＞C。由此可以看出，F(xiàn)（纖維表面處理方法）是影響黃麻纖維增強聚氨酯復合材料綜合力學性能最主要的因素。
（3）黃麻纖維增強聚氨酯復合材料拉伸綜合性能最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方案為C3F3E1D2，彎曲綜合性能最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方案為F3C3E1D2，與所設計的正交試驗中的第8組方案工藝參數(shù)吻合；沖擊韌性最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方案為F1E1D1C3，與所設計的正交試驗中的第1組方案工藝參數(shù)最接近。
（4）綜合汽車內(nèi)飾件對復合材料制品力學性能的使用要求，推薦纖維質量分數(shù)為15%、纖維長度為12.5mm、模壓壓力為80t、處理方法選用堿液處理的工藝參數(shù)方案為綜合力學性能最優(yōu)方案。
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文章摘自：張蔚.基于正交試驗法的黃麻纖維增強聚氨酯復合材料綜合性能研究[J].信息記錄材料，2023，24(06)：5-9.DOI：10.16009/j.cnki.cn13-1295/tq.2023.06.007.
