第38卷第3期 2013-#-6月 高筚斗键鲜雏与应用 Hi-Tech Fiber&Application Vbl_38 NO.3 Jun.2013 植物纤维工艺性能及其复合材料应用研究进展 白一峰,佟文清 (中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230000) 摘要:概述了近年来在植物纤维的渗透率、可压缩性等工艺性能方面的研究进展,揭示了植物纤维织物渗透性能及可压缩 性能影响因素,并总结了多种植物纤维复合材料的研究进展,包括植物纤维/热塑性复合材料、植物纤维/可降解复合材料、 植物纤维/热固性复合材料等。随着研究的不断深入,植物纤维复合材料会有更广泛的应用。 关键词:植物纤维;X-艺性能;复合材料;应用研究;进展 中图分类号:TS102.2;TB334 文献标识码:A 文章编号:1007.9815(2013)03.0062.06 Research on processing property of plant ifber and plant ifber ● ,’ 1 ● reintorced composites BAI Yi—feng,TONG Wen—qing (China Elextronics Ttchnology Group Corporation No.38 Research Institute,Hefei 230000 China) Abstract:The study on processing property of plant fiber in recent years was outlined,such as impregnation property and compressibility,revealing affecting factors of processing property.Meanwhile,the development of different plant fiber reinforced composites was also summarized,including plant fiber reinforced thermoplastic composites,plant fiber reinforced biodegradable composites and plant fiber reinforced thermoset composites. With the research deepening of plant fiber,the plant fiber reinforced composites will be more widely used in future. Key words:plant fiber;processing property;composites;applied research;development 随着自然资源的目益枯竭和人类环保意识的 不断增强,环境材料已成为新材料领域中一个新 的研究方向,以植物纤维作为增强体的“绿色复 低极性基体树脂的相容性以及提高阻燃性能,研 究者们进行了大量的工作,并已取得了许多成果 -91 合材料”尤其受到国内外学者的广泛关注。其应 用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土 木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工 防腐、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以 同时,很多研究者也对植物纤维复合材料 的成型制备进行了研究,如表征植物纤维的渗透 率、可压缩性等纤维的工艺性能,揭示植物纤 维织物渗透性能及可压缩性能影响因素并建立模 型,成型多种植物纤维复合材料,包括植物纤维/ 热塑性复合材料、植物纤维/可降解复合材料、植 物纤维/热固性复合材料等,这些对发展高性能植 物纤维复合材料至关重要。 及家庭办公用品等各个部门。相比碳纤维和玻璃 纤维,植物纤维表面极性大、亲水性强,且易燃 烧,因此,植物纤维在与基体树脂复合前,通常 要进行表面改性处理,以降低其吸水性、增强与 收稿日期:2013—06一ol 作者简介:白一峰(1986.),男,安徽合肥人,助理工程师,主要从事复合材料成型工艺、复合材料无损检测方面的研究, (电子信箱)baiyifenghefei@163.com。 第3期 白一峰,佟文清:植物纤维if-艺性能及其复合材料应用研究进展 .63— 1 植物纤维渗透性能研究 渗透特性是复合材料成型过程中影响树脂浸 渍流动的重要因素,也是复合材料制造工艺中的 一个重要工艺参数,表征树脂在增强材料中流动 的难易程度,对成型过程及复合材料性能均有很 大的影响。在植物纤维/复合材料制备过程中,纤 维的渗透率决定了树脂对纤维束的浸渍方式,与 纤维面内渗透性能相同,纤维的轴向渗透性能也 对树脂在纤维中的流动有很大影响,从而进一步 影响固化过程。 1.1 纤维渗透性能测试方法研究 渗透率与增强材料的物理性能,如与孔隙大 小、粗糙度、扭曲、流道长度等因素有关_l引,而 这些因素又受到纤维体积分数、纤维结构、构件 厚度和铺层顺序的影响 ”。绝大多数研究者将 叫 充模过程视为牛顿流体在多孔介质增强材料 中的渗透过程,增强材料的渗透性决定着流动形 式,一般都以达西定律 作为理论基础。 谭华[1 等根据3种不同的树脂在两种纤维束中 进行的毛细实验结果,运用达西定理,由非线性 回归方法得到单根纤维毛细压力和纤维渗透率的 实验值,并建立了纤维束轴向渗透数学模型,采 用差分法求解,由试误法得到纤维渗透率的模拟 值。分析结果表明,采用有限时间的纤维渗透实 验,经适当的方法处理可以得到能够反映真实情 况的纤维渗透率值,同时还给出]"Carman Kozeny 纤维渗透率方程中的Kozeny常数的实验结果。 张培林[】 等测试了高温条件下环氧树脂在玻 璃纤维单向织物和碳纤维单向织物平面内的毛细 浸润行为,探讨了温度、纤维.液面夹角对浸润特 性的影响规律,分析了树脂与纤维接触形成的弯 液面对测试结果的影响。研究结果表明,升高温 度、增大纤维.液面夹角均有利于提高浸润速度和 浸润质量。 徐伟¨印等使用自行设计的装置对真空压作用 下液体沿单向织物厚度铺层方向的渗透特性进行 了初步研究,通过改变所加真空压力的大小,研 究了蒸馏水、丙三醇和酚醛溶液3种不同流体对 碳纤维织物铺层的渗透规律。结果表明,相同真 空压力条件下,蒸馏水的渗透速率最快;在5 kPa 和20 kPa真空压作用下,丙三醇的渗透速率快于 酚醛溶液;在40 kPa ̄H60 kPa真空压力下,酚醛溶 液的渗透速率快于丙三醇。 1.2植物纤维渗透浸润性能研究 针对植物纤维横截面的多孔结构,很多研 究者采用毛细上升法表征液体与植物纤维的接触 角,毛细上升法要求纤维与液体不发生相互作 用,纤维集束不能膨胀。通常植物纤维常用的润 湿液体为正己烷、辛烷和癸烷[2]。采用毛细上升 法可以测定液体对粉末、纤维等固体的接触角, 其理论为Washburn方程,如下式所示。 蜘 =KyL・cos0 式中,171为质量增量,f为浸润时问,77为液体的粘 度,P为液体的密度, 为液体的表面张力, 为 接触角, 为毛细常数。 Barbara Simonbi ̄等u 通过测定动态接触角和 渗透率,以表征3种不同表面活性剂对脱浆棉纤 维、碱处理棉纤维平纹织物的浸润性,研究结果 表明,浸润速率取决于表面活性剂的结构、密度 与纤维的表面特性,其中疏水基团接枝的表面活 性剂的浸润性要好于未经疏水基团接枝的表面活 性剂,表面能较低的脱浆织物浸润性要好于表面 能较高的碱处理织物。 Gastdn Francucci【】剐等使用甘油的水溶液、 乙烯基树脂和酚醛树脂对黄麻纤维平纹织物的浸 润性进行研究,根据达西定律对黄麻织物的饱和 渗透率和非饱和渗透率进行了测定,并通过照相 的方法记录浸润液体流动前锋。研究表明,植物 纤维的液体吸收和溶胀机制的存在减少了双方之 间的渗透。当液体流经增强体时,液体吸收从主 流中移除液体,就像一个接收器一样,从而降低 了不饱和流动的速度。当模具被完全填满,加强 纤维充分浸渍,流体吸收饱和(没有微孔可以浸 渍,液体也没有地方可以吸收),其吸收特性随 之消失,导致流量增加(对于一个给定的执行长 度),因此饱和渗透的结果均高于非饱和渗透。 此外,植物纤维的饱和引起溶胀,减少了孔隙 率,增大了饱和流动过程的阻力,从而使渗透率 降低。 Exequiel S.Rodriguef ̄91等对双向编织黄麻纤维 织物的饱和即不饱和渗透性进行了研究。结果发 现饱渗透率随孔隙率的增加而增加,并且饱和渗 透率要高于非饱和渗透率。这种差异会随着孔隙 ..64.. 高辱斗技鲜维与应用 第38卷 率的增大而逐渐消失。同时,研究中还发现黄麻 纤维会吸收大量的液体,这会影响到液体流动行 为。 2植物纤维可压缩性能研究 出于工艺、力学性能和制造成本的综合考 虑,在预成型各过程中,增强体主要形式为 平面和立体织物,织物的可压缩性直接决定了最 终制品中纤维体积分数并在一定的程度上决定其 力学性能。 梁子青[2叫等研究了预定型织物在压实阶段的 可压缩性,涉及压缩过程中纤维体积分数的变化 特点。结果表明,在相同作用力下,随着织物层 数的增加纤维体积分数增大;同时预定型处理降 低了织物的可压缩性;在实验施加的压缩载荷作 用下,预定型织物压实后纤维体积分数主要受到 定型剂体积分数的影响。压缩织物层数的不同, 在载荷下压实阶段的纤维体积分数曲线走势也不 同,层数较少时,纤维体积分数曲线随载荷增加 上升较快,随着织物层数的增多,纤维体积分数 曲线的走势趋于平坦,这种走向规律实际上与织 物在压缩载荷作用下织物的运动方式有关。 郭启微【2 等通过CCD显微摄像仪得到不同压 缩程度下复合材料制件的横截面图像,并运用用 压缩试验研究了平纹织物受压时厚度与纤维体积 分数的变化规律。实验中以假设压缩时织物宽度 不变为前提,认为厚度的变化即为纤维体积分数 的变化。在进行湿态织物压缩试验前,通过向模 具注射机油而使织物浸润。结果表明,织物的压 缩性能受到干湿状态和压缩次数的影响;在卸除 载荷后,部分织物会发生回弹现象,而压缩次数 的增加则明显降低了初始织物的体积分数;通过 微观结构分析观察到经纱的横截面在压缩前呈椭 圆形,而纬纱呈正弦曲线状弯曲,纱线间的间距 随着压实程度的增大不断缩小,经纱横截面因受 压产生变形,纬纱最终趋于折线状态。 刘洪新【2 等针对热压工艺中单向纤维布的压 缩行为,通过白行设计的纤维可压缩性测试装置 得压缩曲线,并结合Gutowski纤维压缩方程,考 察了单向纤维布可压缩性能的影响因素。其采用 的理论基础为Gutowski模型,即把这种变形以正 弦函数来描述,并假设纤维单丝只受横向的压缩 力,纤维充分润湿,根据弯曲梁理论推导出纤维 压缩方程,该方程能够较好地描述单向纤维层的 可压缩性,参数少且物理意义明确。 预成型体的压缩性能还与其渗透性能密切相 关,尤其是对植物纤维而言。因为织物压实程度 的改变会影响液体流通通道的几何尺寸和形状_2 q 。Chen[2 等研究了预成型体压缩主要影响因 素,主要可分为以下几种不同机制:纱线截面形 变、纱线压扁、纱线弯曲、孔隙密实等。Gast6n Francucci[26 ̄27]等研究了黄麻织物预成型体的可压 缩性能。研究发现,最大压缩应力、永久变形性 能、以及应力松弛等都与纤维最终体积分数以及 压缩速率相关,较高的压缩速率可以产生高的压 缩应力,应力松弛以及永久性变形。随着纤维体 积分数的增加,织物应力松弛现象下降。另外, 可以发现具有中空结构植物纤维的物理结构会影 响预成型体的可压缩性能,植物纤维浸润液体后 会降低其织物预成型体的压缩应力。 3天然植物纤维复合材料性能研究 3.1 植物纤维/热塑性复合材料研究 与玻璃纤维相比,植物纤维较低的热稳定性 了作为基体的热塑性材料的选择范围。只有 工艺温度不超过230℃的热塑性树脂可用作植物 纤维复合材料的基体,如聚乙烯、聚丙烯等聚烯 烃,以及聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯等。 Joseph.P.V【2剐等对短剑麻纤维/聚丙烯的研究 表明,纤维长度为2 mm时复合材料的强度最高; 纤维经向排列时,材料的强度优于纬向排列和随 机排列;纬向排列时材料的强度最差。复合材料 的强度随纤维体积分数的增加而增大。 王瑞_2 等运用自制亚麻纤维毡和普通不饱和 聚酯,通过真空辅助树脂传递模塑法制备了亚麻 纤维毡增强树脂复合材料。与玻璃纤维布增强树 脂复合材料相比,亚麻纤维毡增强复合材料虽然 力学性能较优,但亚麻纤维毡增强复合材料强度 和模量相对较低。这主要是由于亚麻纤维和树脂 问的界面粘结性差导致的。 刘丽妍[3叫以聚丙烯长丝作为基体,亚麻纤 维为增强体,采用机织的方式将含有一定体积分 第3期 白一峰,佟文清:植物纤维工艺性能及其复合材料应用研究进展 .65 数,由二者捻合而形成的合股纱编织成亚麻/聚丙 坏,使其呈现一定的脆性,降低了复合材料的综 合力学性能。 烯平纹布,通过层合热压制备出亚麻增强聚丙烯 热塑性复合材料薄板,并测试了其拉伸性能,分 析了破坏机理。通过亚麻/聚丙烯平纹布拉伸载荷 位移曲线及拉伸断口扫描电镜分析,发现试样随 着载荷的增加开始发生变形并且在薄弱环节发生 3.2植物纤维/可降解复合材料研究 Massiomo[34 ̄等制备了亚麻/聚酯生物可降解复 合材料,并讨论了纤维长度分布、混炼时间及表 面处理等方面对亚麻/聚酯复合材料性能的影响。 结果表明,当共混速率提高时,纤维长度平均值 断裂,对于这种平纹机织复合材料,其变形形式 主要为剪切变形。 刘晓洪[31】制备了苎麻增强PP复合材料薄板, 并对其拉伸性能的影响因素进行了分析。结果 表明,碱处理明显改善了苎麻层压材料的拉伸 性能,拉伸强度比未处理前的层压材料增加了 48.4%;苎麻织物经过硅烷偶联KH一550、A一151预 处理后,层压材料的拉伸强度分别提高了42_3% 和69.4%。同时,通过热重分解曲线可以发现, 其热降解可以分为4个阶段:以物理吸附方式存 在于织物中纤维素的水在20~150℃之间进行脱 水;纤维素结构中某些葡萄糖单元基在1 50 ̄230 ℃开始脱水;纤维素结构中糖苷键在230 ̄390℃ 之问开始发生断裂,产生一些新的产物和相对分 子质量低的挥发性化合物;>390℃时,纤维素 结构的残余部分进行芳环化,逐步形成石墨结构 及木质素的热氧化。质量损失最大时的温度为387 ℃,分解温度为366℃,因此在苎麻增强PP复合 材料成型过程中,模压温度不得高于230℃。 杨敏鸽等[3 以苎麻原麻、纱线、苎麻粗绳和 苎麻布为原料,用甲苯一2,4.二异氰酸酯(TDI) 进行接枝改性,然后制备出不同苎麻纤维与PE树 脂的复合材料,结果表明苎麻纤维经过TDI接枝 改性后,其复合材料界面性能明显改善,同时接 枝后原麻/PE复合材料拉伸性能略有下降,而苎麻 绳和苎麻布/PE复合材料拉伸性能明显提高。 Oksmant 】等对亚麻纤维增强PLA复合材料进 行了研究,结果表明PLA作为复合材料基体表现 出良好性能,且亚麻纤维增强PLA复合材料的力 学性能优良,约为亚麻纤维增强PP复合材料强度 的50%。亚麻纤维在基体中的分布比较均匀,由 于亚麻纤维的加入使材料热性能有一定的提高, 但是其界面粘结性能则需要进一步改善。研究还 表明采用甘油醋酸酐作为增塑剂,不但不能提高 复合材料的冲击性能,反而降低其力学性能,这 主要是由于增塑剂使亚麻纤维的纤维结构遭到破 和宽度分布均下降,提高共混速率或者延长共混 时间都会产生纤维长度的降低和分布集中;通过 扫描电子显微镜的观察,发现亚麻纤维表面存在 “节点”,在受力过程中可能会产生应力集中, 导致材料脆性断裂;通过分析纤维含量对复合材 料力学性能的影响,发现复合材料模量的大小可 以使用修正的混合物定则来判断。 曹勇[3 等以PCL和淀粉混合物CP一300树脂为 基体,利用压制成型工艺制备了洋麻纤维增强完 全降解复合材料,结果表明复合材料弯曲模量在 纤维体积分数为62%时达到最大值,表面增大纤 维的取向因子能极大的提高材料的弯曲模量;通 过扫描电镜观察到的洋麻纤维横断面呈现多孔状 结构,其成型后由于受到压缩而变致密,提高了 材料弯曲模量。 3.3植物纤维/热固性复合材料的研究 传统热固性复合材料通常以碳纤维、玻璃纤 维等为增强体,而植物纤维增强热固性复合材料 以植物纤维为增强体,这为热固性复合材料的应 用开辟了新的途径。 BachtiarI ]等研究了碱处理棕榈纤维对增强环 氧树脂复合材料拉伸性能的影响,其采用0.25 mol/ L和0.5 mol/L两种浓度的NaOH水溶液对棕榈纤维 分别处理不同时间后与环氧树脂复合制成复合材 料,结果表明经碱处理的棕榈纤维与基体环氧树 脂间的界面连接并没有受到很大的影响,且所制 备棕榈纤维/环氧树脂复合材料的拉伸性能提高。 才红等[3’ 采用剑麻纤维与酚醛树脂混合、 辊炼、模压成型制备复合材料,当剑麻纤维的体 积分数为40%时,冲击强度和弯曲强度达到最大 值,分别为719 kJ/m2和97 MPa,比未加入剑麻的 复合材料的力学性能分别提高了45%和25.5%; 当剑麻纤维与玻纤混合时比单一纤维增强的效果 好,出现正的混杂效应。 吴茵等[3引人采用机械共混一模压法制备了聚 .66一 高犀斗技鲜维与应用 第38卷 醚砜(PESU)/聚四氟乙烯(PTFE)/苎麻纤维 (RF)复合材料,研究了复合材料的摩擦学性 能,通过SEM对磨损表面进行了观察与分析,并 探讨其磨损机理。结果表明,用机械共混.模压法 制备PES/PTFE/RF复合材料可行,并且其摩擦性能 有所提高;随着RF体积分数的增加,复合材料的 磨损机理发生了由粘着磨损向疲劳磨损的转变。 N.Srinivasababu[3 等人研究利用秋葵纤维与 聚酯制备秋葵/聚酯增强复合材料,采用化学处理 方法,提高了复合材料的拉伸强度和拉伸模量, 分别为64.41 MPa和946.44 MPa,经过处理和未处 理的秋葵/聚酯增强复合材料拉伸强度和模量分别 比纯聚酯基体高34.31%和39.84%。 JacksonD[4 ̄]等研究了剑麻/热固性树脂复合材 料热压工艺条件,讨论了温度、压力、时间间隔 变化等因素对固化交联反应中副反应产物如水等 小分子产物的影响。冲击强度测试和SEM结果表 明,在酚醛树脂凝胶点前加压,可以减小基体中 的空隙,获得更好的性能;热压成型时,逐步递 增的成型压力可以增加树脂内部的相互扩散,通 过纤维有效填充降低小分子在基体中的扩散。 4结语 植物纤维来源广泛,降解性能好,价格低廉 且密度小,具有较高的弹性模量,与无机纤维相 近,而它的生物降解性和可再生性是最突出的优 点,是其它任何增强材料无法比拟的。随着对植 物纤维性能研究的进一步深入,植物纤维复合材 料的应用也将更加广泛。 参考文献 Omar Famk,Andrzej K.Bledzki,Hans—Peter Fink.Bio— composites reinforced with natural ifbers:2000—2010[J]. 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