剑麻--天然的增强剂

2010-11-15  来源1:复材在线 作者:复材在线 浏览次数:9919 收藏  |  分享

不同等级的聚丙烯对剑麻增强聚丙烯复合材料的机械性能和热变形性能有着很大的影响。研究发现该类产品强度和刚度俱佳。 过去几年,天然纤维增强复合材料(NFCs)经历了一个快速的发展。尤其是汽车行业在寻找易回收可持续利用材料的过...
不同等级的聚丙烯对剑麻增强聚丙烯复合材料的机械性能和热变形性能有着很大的影响。研究发现该类产品强度和刚度俱佳。

过去几年,天然纤维增强复合材料(NFCs)经历了一个快速的发展。尤其是汽车行业在寻找易回收可持续利用材料的过程中重新发现了天然纤维增强材料的亮点。在此期间,压缩成型制备天然纤维增强复合材料的技术已经在市场上有了自己的一席之位。目前大多数的中高档车都含有生物基的组件。在众多的天然纤维中,亚麻,大麻以及剑麻经常被用来做高品质门的包层以及包装箱搁板材料的增强纤维。

最近,注塑成型的天然纤维增强复合材料已经投放到市场。如果针对天然纤维复合材料留出空间,那么使用传统的注塑成型设备就能够来加工天然纤维增强的复合材料。天然纤维增强聚合物的合成不仅对工艺过程提出了要求,对工艺条件也带来了特殊的挑战。亚麻和大麻特别难混合到聚合物里面去。所以剑麻几乎成为了唯一的选择。剑麻处理起来简单,并且更高的抗弯刚度使得其更容易混合进聚合物里去,还可以为复合物的流动性能带来正面的影响。采用注塑成型工艺可以大批量地生产符合标准的产品。此外,还可以针对性的设计每个组件的几何形状。使用这种比较新的加工方式,可以使得天然纤维增强聚合物的应用跳出可持续利用的天然纤维材料这个范围,拓宽到其它的市场去。由于生产过程中的能耗低且拥有几乎中立的CO2生物循环,天然纤维增强聚合物的应用前景一片光明。除此以外,此类产品还在低密度的同时具有极佳的刚度和强度,良好的声学特性以及可以回收利用等优点。该类产品的价格在聚烯烃和工程塑料之间。

为了更好的发掘天然纤维增强聚合物的潜能使其得到最佳的应用,我们很有必要对影响这种聚合物质量和数量的各个参数做个深入的研究。这些参数包括加工工艺参数如加工温度。它对复合物的机械性能以及气味有着很大的影响。聚合物种类的选择也对复合材料性能有着相当重要的影响,但是聚合物的选择并不是总是从复合材料的机械性能考虑出发的。

该研究项目的主要目标之一是探讨各种不同等级的聚丙烯对剑麻增强聚合物的机械性能和热变形性能方面的影响。为此我们制备了各式各样的剑麻增强聚丙烯复合材料并作了相应的表征。

旨在具有竞争力的纤维的性能

适用于注塑成型的天然纤维增强复合材料的制备使用的是机械分离的剑麻的叶纤维束。纤维束的拉伸性能采用Fafegraph FPE/M27493型单纤维拉伸测试仪(Textchno Herbert Stein Stein GmbH&Co. KG制备,该公司位于德国门兴格拉德巴赫)。

在一定的条件下(23℃,65% RH)纤维束先经过长度为10mm的电平钳位350mg力量的预拉伸然后以10mm/min的速度进行测试。

杨氏模量(9.98±5.87GPa),高品质的剑麻纤维束断裂时的拉伸强度(472.76±311.67MPa)和拉伸长度(5.81±2.13%)与所引用文献中的基本完全相同。

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图1 剑麻纤维束的威布尔分布

为了提高被表征的纤维束的高度分散的拉伸特性(表1)强度值(532.24MPa)的可比性,与其相关的威布尔模量(1.92)采用修正后的威布尔分布来计算。如图1 所示的威布尔分布值的对数的极佳的线性回归参数(R2=0.94)说明了实验数据的可信度。

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低的威布尔模量可描述为特征强度的分布,符合天然纤维束的特征。它们的机械性能好坏主要是看中位数。可以将纤维束想象为天然的粘合剂将单个的纤维一个个粘合在一起。

试验样本显示性能得到改善

使用螺杆挤出机制备了一些注塑成型的天然纤维增强的复合材料。其中天然纤维的含量为30%。在复合之前生纤维束先经过了机械剪裁和精制。采用了两大类聚丙烯做母材料:来至荷兰鹿特丹Lyondellbasell 工业的均聚物和共聚物。为了提高亲水性的剑麻纤维束与非极性物之间的粘合度,使用亲水性的聚丙烯MAPP做粘合促进剂。

采用传统的注塑设备(型号:Plus 250/50,制造商:奥地利科廷布伦的Wittmann Battenfeld GmbH)。为了防止天然纤维束的降解,加工温度要低于185℃。所有的比对样本都是在相同的条件下采用非精制的聚丙烯加工而来的。

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天然纤维表现出非常明显的增强功效(根据ISO527-2来测试)(表2)。相较于非精制的聚丙烯所有样品的刚度均提高了2到3倍。强度有了50%到100%的改进(图2a和b)。

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表2 非精制的聚丙烯和各种天然纤维增强复合物的性能。
非精制聚合物断裂时的拉伸度和冲击强度无法确定,
因为超出了测试仪器的量程或者它们韧性很强在冲击下很难断裂。

剑麻增强的聚合物的热变性温度—HDTB(根据ISO75B-1,-2来测试)在144.37℃±4.38℃和150.57℃±2.27℃之间,远高于它的使用温度。尽管聚合物的选择对天然纤维增强聚合物的热变形温度的影响很小,但是试验样品表现出比非精制聚丙烯高很多的热承受力(图2e)。

剑麻增强聚合物的一大缺点就是其可怜的缺口冲击强度(根据ISO180/A来测试)。这也是限制这类聚合物可伸长度的原因(图2c)。

但是采用均聚物制备的缺口试样表现出了与其它试样截然不同的特性(图2d)。相较非精制的聚合物天然纤维增强聚合物的缺口冲击强度的得到了很大的改善。纤维束通过方位调整减少了裂纹的扩展。在一些低伸长度和易碎的天然纤维增强聚合物身上也观察到了同样的特性。

纤维混纺解决了天然纤维复合材料韧度刚度难两全的问题。将再生纤维素纤维混入其中可以明显改善天然纤维增强材料的冲击强度。但是对其它特性的影响却微乎其微。

结论

生产同时具有高强度和韧度的天然纤维增强聚合物是可行的。剑麻的纤维束可以拿来做增强剂。相较于亚麻和大麻,剑麻比较容易加工且对聚合物产生更多的正面的影响。

聚合物的选择对天然纤维复合材料的机械性能有着很大的影响。这样,仅仅通过调整聚丙烯的类型就可以很大程度上改变复合材料的强度和韧度。使用更强更硬的均聚物就可以获得具有更高强度和硬度的复合材料。相反,使用具有更佳伸长特性的共聚物制备出来的复合材料就具有更优的伸长特性和冲击强度。

未来与展望

理论上天然纤维适用于可承受190℃高温加工的所有聚合物。目前为止其主要应用于PP和PLA。但是未来可以将其应用于更多的聚合物来制备环境友好的材料满足市场的要求:高强度,高刚度以及好的冲击强度。

为了使得消费者可以通过他们自己的需要来设计天然纤维增强材料,一套全面详尽的有关工艺参数对复合材料性能影响的研究报告是非常必要的。该项目的研究表明下一代天然纤维增强复合物的开发要重视聚合物的选择。相应的母材料的选择同样要引起我们的重视。

作者简介
STEPHAN RICHTER B.SC., 1984年生,该项目的合作人之一,德国不来梅大学, Faculty 5—仿生/生物材料系。
DIPL-ING. NICOLE EIKELENBERG,1973年生,工作于德国亚琛的福特研究中心的可持续发展部门。
DIPL-ING. MAITA MAGNANI,1974年生,在亚琛的福特研究中心从事有关汽车方面可再生资源的应用工作。
DIPL-ING. Jorg Mussig教授,1968年生,德国不来梅大学,Faculty 5—仿生/生物材料系教授。 (end)

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