天然纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

天然纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的高性能化及其應(yīng)用戴干策李賓孫占英華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聚合物加工研究室（200237）2009.11.20背景應(yīng)用開發(fā)展望節(jié)能/減排

——汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路強(qiáng)化、拓展復(fù)合材料應(yīng)用

——汽車節(jié)能/減排的首選措施先進(jìn)復(fù)合材料、鋼和鋁在車身減重方面的對比材料類型減重百分比高強(qiáng)度鋼25－35％鋁40－55％先進(jìn)復(fù)合材料50－67％不同材質(zhì)的汽車零部件在制造中耗能不同，以生產(chǎn)質(zhì)量相同（450克）的零部件為例，采用塑料或復(fù)合材料所耗能源折合汽油3.8－4.5Kg，若采用鋁或鋼，所耗能源折合汽油5.6－6.8Kg。此外，塑料模具費(fèi)用是鋼制件模具費(fèi)用的10～20％。提高塑料零部件的設(shè)計(jì)自由度不提高成本，從開發(fā)到批量生產(chǎn)周期短。模塊化效益序號類別效益（％）1性能+232每輛汽車系統(tǒng)成本-143每輛汽車系統(tǒng)重量-224每輛汽車部件數(shù)量-225緊固件、附件數(shù)量-276安裝工序-9個(gè)工作臺(tái)和15個(gè)工作區(qū)熱塑性聚合物復(fù)合材料為汽車輕量化和模塊化提供了前提條件。GMT、LFT、NMT是其中最杰出的代表。天然纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料NaturalFiberReinforcedThermoplastics基體相：熱塑性通用樹脂（PP、PE、PVC等）增強(qiáng)相：天然的植物纖維（劍麻、黃麻等）纖維形式：短纖維、纖維氈典型代表產(chǎn)品：短纖維增強(qiáng)材料SNRT（ShortNaturalFiberReinforcedThermoplastics）纖維氈增強(qiáng)材料NMT（NaturalFiberMatReinforcedThermoplastics）天然纖維的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：密度小，價(jià)格低，環(huán)境友好，可自然降解，對身體無刺激，對加工設(shè)備磨損小。缺點(diǎn)：生物物質(zhì)，多孔性結(jié)構(gòu)，性能分散性大，易受潮，對熱較敏感，與基體相容性較差。

天然纖維復(fù)合材料在西歐汽車工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展天然纖維復(fù)合材料在汽車上的主要應(yīng)用

天然纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料制品質(zhì)量比較

纖維種類密度（g/cm3）伸長率（%）拉伸強(qiáng)度（Mpa）拉伸模量（Gpa）Sisal1.52.0-2.5511-6359.4-22.0Jute1.31.5-1.8393-77326.5Flax1.52.7-3.2345-103527.6Cotton1.5-1.67.0-8.0287-5975.5-12.6E-glass2.52.52000-350070Carbon1.41.4-1.84000230.0-240.0A.K.Bledzki,J.Gassan.Prog.Polym.Sci.1999(24)：221–274與玻璃纖維、碳纖維性能比較材料拉伸強(qiáng)度/Mpa拉伸模量/Gpa理論值實(shí)際值理論值實(shí)際值NaturalFiber10000(cellulose)287-1035(2.87%-10.35%)134(cellulose)5.5-27.6(4.10%-20.6%)E-glass110002000-3500(18.2-31.8%)8070(87.5%)LennartSalmén.C.R.Biologies327(2004)873–880A.N.Nakagaito,H.Yano.Appl.Phys.A80(2005)155–159天然纖維改性的潛力，源頭控制（生物礦化）改善復(fù)合材料性能的途徑（1）纖維改性（增強(qiáng)體的改性）表面改性（改善纖維與基體的相容性）內(nèi)部改性（改變纖維的自身性能）不經(jīng)處理，僅填充，不增強(qiáng)堿液處理，硅烷處理，乙?；幚?，苯甲酰處理，丙烯腈接枝處理，高錳酸處理，過氧化物處理，異氰酸處理，硬脂酸處理，次氯酸鈉處理。表面改性內(nèi)部改性前后單纖維性能的測定MethodTensileStrength(MPa)TensileModulus(MPa)withouttreatment3279909TEOS375（14.68％）11522（16.28％）CaSiO3

370（13.15％）11021（11.22％）纖維含量30%復(fù)合材料拉伸性能D強(qiáng)度和模量分別提高24.05％和58.33％基體改性不同相容劑的應(yīng)用（相容劑的復(fù)配使用）

MAPP（提高強(qiáng)度模量很好，但對沖擊具有負(fù)作用）

PP-g-GMA（提高沖擊較好）PP-g-AAPP-g-Si改善復(fù)合材料性能的途徑（2）改善復(fù)合材料性能的途徑（3）界面結(jié)合改性不同官能團(tuán)之間的相互反應(yīng)纖維含量30%復(fù)合材料沖擊性能沖擊強(qiáng)度比加入MAPP提高約50.7％改善復(fù)合材料性能的途徑（4）混雜增強(qiáng)無機(jī)填料與天然纖維混雜不同種類的天然纖維之間混雜專用性能與綜合性能的平衡通用性能專用性能綜合性能材料的復(fù)合形式注塑產(chǎn)品片材模壓產(chǎn)品根據(jù)具體需要選擇合理的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用前景改善了纖維地域選擇的局限性復(fù)合材料性能改善的針對性，可控性NMT制備技術(shù)輕質(zhì)熱塑性片材面密度600～2000g/m2(傳統(tǒng)片材4000～5500g/m2）體密度0.3～0.8kg/cm3(傳統(tǒng)片材1.1～1.3kg/cm3）特點(diǎn)：（1）更低的可揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）。（2）更輕，減重效果明顯。（3）更好的吸音、隔熱性能，更低的熱膨脹系數(shù)。（4）A級表面。（5）經(jīng)濟(jì)的制品成型過程。模腔中所需要的壓力只有0.1MPa左右，一般不會(huì)超過0.2MPa，傳統(tǒng)的片材制品成型時(shí)所需要的壓力為10～20MPa。（6）更大的制品設(shè)計(jì)自由度。輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材制備

——噴動(dòng)流化床預(yù)混工藝發(fā)明專利：01112947.6；WO02/94430A1輕質(zhì)片材——成型輕質(zhì)片材——性能輕質(zhì)復(fù)合片材的力學(xué)性能厚度（mm）2.03.04.0相對密度0.50.330.25玻纖含量（％）505050面密度（g/m2）100010001000拉伸強(qiáng)度（MPa）11.817.303.01拉伸模量（MPa）1452914232彎曲強(qiáng)度（MPa）20.8716.443.34彎曲模量（MPa）1361932187缺口沖擊強(qiáng)度（J/m）23021691輕質(zhì)片材——性能優(yōu)越的吸聲性能輕質(zhì)片材——應(yīng)用車頂：等比例縮小尼桑Xterra轎車車頂襯里輕質(zhì)片材——應(yīng)用輕質(zhì)片材——應(yīng)用該片材還可以用作遮陽板、后行李隔板等汽車內(nèi)飾件2004年夏天出產(chǎn)價(jià)值14萬美金的福特GT，首次在一輛車中大量使用這種片材做內(nèi)飾件，包括前、中、后立柱，副儀表板等，總計(jì)有近20件，標(biāo)志這這種材料大量使用的一個(gè)新里程。輕質(zhì)片材——應(yīng)用LWRT材料制成的公共汽車車頂門Azdel與英國的BI公司合作，2004年在歐洲推出了輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材制造的車頂棚，將應(yīng)用其發(fā)展到汽車外飾件。此外Azdel還在針對火車上的特殊要求，專門推出了Railite復(fù)合片材，更大地?cái)U(kuò)展了輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的應(yīng)用。技術(shù)關(guān)鍵：

纖維束的充分分散和纖維長度的有效保留相結(jié)合。

纖維的單絲分散率：≥85%；纖維長度：≥5mm；纖維含量：20-40%wt。特點(diǎn)：

生產(chǎn)工藝流程短，生產(chǎn)設(shè)備相對簡單，投資節(jié)約；能量利用合理，能耗低；以通用工業(yè)原料進(jìn)行生產(chǎn)，所有原材料立足國內(nèi)，便于組織生產(chǎn)；材料流動(dòng)性好，易于加工復(fù)雜、薄壁制品，對于壓機(jī)和模具要求低。規(guī)模：

建成150噸/年的中試生產(chǎn)線一條，在2005.12投入生產(chǎn)。

華東