复合生态纤维（精选3篇）
复合生态纤维 篇1
随着人们“生态意识”的觉醒,对环境保护、卫生健康越来越重视,人们把注意力集中到植物纤维这一具有生物降解性、环境协调性以及质轻和价廉易得的可再生资源上来,麻纤维以其独特的性能引起了人们的关注[1,2,3],在麻类纤维中苎麻性能最为突出,其纤维素含量高、强度大、纤维长度长,属于高性能的天然植物纤维[4],很适合做树脂基复合材料的增强体[5]。其复合材料主要有以下特点[6]:(1)密度小,比刚度和比强度较大;(2)成型工艺性能好;(3)材料性能可以设计;(4)抗疲劳性能好;(5)减振性能好;(6)热稳定性好。利用苎麻作为复合材料增强体,开发环境友好的复合材料,已广泛用于军事和民用等各个领域,不仅为苎麻纤维开辟除纺织以外新的应用空间,为苎麻开发利用找到新的增值途径,而且为天然纤维增强复合材料体系增添新内容,意义十分重大[7]。
1 苎麻纤维的性能
苎麻的化学组成以纤维素为主,其次是半纤维素、木质素、甲胶等,表1是几种麻纤维与玻璃纤维的性能比较,由表1可见,虽然麻纤维的拉伸强度和模量都比玻璃纤维低,但是苎麻的比强度与玻纤接近,且苎麻是麻纤维中性能最好的,所以它完全可以替代玻璃纤维,作为复合材料增强剂。
2 树脂基体
近年来国内外掀起了研究各种苎麻纤维复合材料的热潮,研究所用的聚合物基体既有热固性的,如不饱和聚酯树脂[8]、乙烯基树脂[9]、环氧树脂[10]、酚醛树脂[11],聚氨酯泡沫[12]等等,也有热塑性的,如PP[13]、LDPE[10]、乙烯-丙烯共聚物[14]等,热固性树脂易与增强体结合,固化温度相对较低,操作简单。热塑性树脂可重复加工,有优异的抗冲击韧性、耐疲劳损伤性能[15]。
3 复合材料力学性能影响因素
尽管苎麻纤维复合材料的研究已经取得了较大发展,但仍没有把纤维素的潜在优势发挥出来,主要原因是纤维与聚合物之间的不相容性和纤维易降解性对其在复合材料中的增强作用产生不利影响。
3.1 苎麻纤维的亲水性
苎麻的纤维素大分子重复单元每一个基环内含有3个羟基,这些羟基形成分子内氢键或分子间氢键,使其具有亲水性,而热塑性塑料多数为非极性的,具有疏水性,从而引起基体聚合物与纤维之间很难形成物理或化学键的结合,界面层很薄,界面张力大,使得纤维与树脂间存在十分清晰地相界面。纤维素的链结构如图1。
3.2 苎麻纤维的易降解性
纤维素受热会发生降解,纤维素的热降解分为4个阶段:第一阶段(25~150℃):吸附水解吸;第二阶段(150~240℃):部分葡萄糖基断裂;第三阶段(240~400℃):糖甙键开始断裂;第四阶段(大于400℃):残余部分芳环化。对纤维进行红外分析,结果显示:在温度为105~240℃,时间为0.5~5h的试验条件下,纤维红外谱图变化不大,说明植物纤维在低于240℃时具有较好的结构稳定性,这对于植物纤维复合加工过程是有利的。
4 界面
对于聚合物基复合材料,其界面形成可分成两个阶段[16]:一是基体与纤维的接触与浸润过程;二是聚合物的固化阶段,在此过程中聚合物通过物理或化学的过程而固化,形成固定的界面层。界面层的结构[17]大致包括界面结合力的性质、界面层的厚度、界面层的组成等几个方面,苎麻纤维和聚合物之间界面的粘合性能决定了复合材料的机械性能,界面结合能力决定了将应力从聚合物向纤维转移的能力,从而决定复合材料的强度[18]。界面使基体与增强材料形成一个整体,并通过它传递应力,而苎麻与聚合物基体的黏结力差使得应力在界面不能有效地传递[19,20],为了使复合材料内部能够均匀地传递应力,显示其优异的性能,必须在复合材料的制备过程中形成一个完整的界面层。
5 改善界面相容性的方法
如何改善复合材料的界面粘结性是进一步改善复合材料力学性能的关键,为此各国学者进行了多种有益地尝试[21,22,23,24],并归纳出3种方法:一是对苎麻进行改性;二是对塑料进行表面改性;三是在共混物中加入第三组分。
5.1 纤维的改性
5.1.1 物理方法
物理方法包括碱处理、拉伸、压延、热处理、酸处理、蒸汽爆破处理、表面原纤化及放电处理,如低温等离子放电、溅射放电、电晕放电等。碱处理是一种老的纤维素纤维改性方法[25],可以提高纤维的强度,改善吸湿性。低温等离子放电处理主要引起化学修饰、聚合、自由基产生、结晶等变化;蒸汽爆破处理这种方法可引起纤维材料微观结构的变化,去除半纤维素,使纤维素含量增加,同时表面积加大;溅射放电处理主要引起物理变化,如表面变得粗糙等以增强界面间的粘结性能;电晕放电,通过改变纤维素分子的表面能来降低复合材料的熔融黏度。这些方法可以有针对性地改变纤维的一些主要参数,如表面张力、吸湿性、膨胀性、吸附性从而提高与高聚物间的相容性。
5.1.2 化学方法
通过化学反应减少纤维表面的羟基数量,在苎麻和基体之间形成物理和化学交联,主要包括偶联剂法、接枝共聚法、酯化改性等。化学方法改变了纤维表面的化学结构,有利于其在塑料基体中的均匀分散,提高纤维与基体间的黏结力。
①偶联剂处理
苎麻复合材料中最常用的偶联剂为有机类,包括硅烷、钛酸酯、铝酸酯、异氰酸酯偶联剂等。硅烷偶联剂可渗透到纤维的所有间隙,使得偶联剂与纤维表面保持良好的接触,而有机硅烷中的烷氧基团水解后形成硅醇,硅醇跟羟基作用,使纤维的吸水性减少,降低了纤维的极性[26]。另外,有机硅烷中的乙烯基跟树脂形成连接点,并偶联形成网络,有效提高纤维与基体间的粘结强度,使复合材料的强度提高。偶联剂用量影响复合材料的力学性能,用量太少,起不到理想的偶联作用;用量太多,在纤维表面覆盖过多的没有起偶联作用的偶联剂分子,使复合材料力学性能降低[27]。刘晓洪[28]等研究发现经KH-550和A-151硅烷偶联剂分别预处理后,苎麻/PP复合材料的力学性能均有提高,拉伸强度分别提高42.13%和69.14%。
②接枝共聚
在苎麻纤维表面直接引入官能团是最为方便和高效的。用含有官能团的马来酸酐(MA)、丙烯酸、缩水甘油基甲基丙烯酸(GMA)等单体对苎麻纤维进行接枝改性,改性后纤维的抗湿性和热稳定性有所提高,但其综合力学性能有所下降[29]。张一甫[30]等使用苎麻落麻与不饱和聚酯树脂制备了复合材料,其对落麻的接枝共聚改性的研究表明,经接枝的落麻纤维的浸润角减小,吸水率下降,这说明接枝麻纤维分子中的羟基减少,纤维亲油性增强,达到改善纤维和树脂界面的目的。
③酯化改性
酯化或醚化改性可以降低纤维的表面极性,使其易于在基体中分散,从而改善纤维和聚合物的界面相容性[31]。酯化试剂一般为乙酸、乙酸酐、马来酸酐、邻苯二甲酸酐等低分子羧基化合物,反应机理为:
5.2 塑料的表面预处理
在纤维的表面自由能和表面极性一定的前提下,提高复合材料的界面结合性能的另一个途径是对塑料进行改性[32],主要有三种方法:一是将塑料与另外一种或多种聚合物混合,形成聚合物合金的方式使塑料表面自由能降低和表面极性提高,以适应纤维的表面形态。二是对塑料表面进行接枝共聚处理,在树脂大分子链上接枝极性或反应性支链来提高纤维与塑料界面相容性,接枝方法有溶液法、熔融法、固相法、辐射接枝法、高温热接枝法及悬浮接枝法等方法[33]。三是表面氧化处理,引入含氧极性基团,提高塑料的表面极性。低表面极性的聚合物可以通过火花放电、浓酸氧化处理、等离子体处理等提高它们的表面极性,在氧气存在条件下提高塑料熔融时的温度,以促进塑料的表面氧化,在塑料表面产生所需要的各种活性官能团[34]。Karnani[35]使MA和PP在引发剂作用下于挤出机中就地反应,随后和硅烷偶联剂改性的纤维共混挤出,力学性能和PP/纤维简单共混相比有显著提高。这种方法工艺比较简单,但接枝反应过程中存在着许多副反应,严重影响接枝效率,而且反应不易有效控制。
5.3 第三组分的加入
改善相容性的另一途径是加入相容剂,其在两相之间起到了桥梁作用而将两相连结在一起[36,37,38,39,40,41,42],界面相容剂有非反应型相容剂和反应型相容剂,这些相容剂表面含有羧基或酐基,能与纤维中的醇羟基发生酯化反应或与纤维形成氢键,降低纤维的极性和吸水性,同时长的分子链插到聚合物基体中,在聚合物和纤维之间起桥梁作用,界面粘合良好。常用的相容剂有乙丙三元橡胶(EPDM)、聚异丁烯(PIB)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)、马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)。Kazayawoko等[43]采用傅立叶红外漫反射光谱法进行研究,发现MAPP处理可以使纤维和聚合物的相容性得到改善。
6 国内外研究情况
苎麻增强聚合物的研究越来越多[44],国外对麻复合材料及其制品的研究开发工作开展较早。欧洲关于这方面的研究以德国、英国、丹麦和意大利为主。亚洲以印度等国为主,采用苎麻纤维作为增强材料,与热固性和热塑性聚合物复合,制成天然纤维/聚合物复合材料制品,已开始工程应用。我国则起步较晚,目前各科研部门尤其是一些高校已开始研究制备不同麻纤维的复合材料。
7 苎麻纤维复合材料的应用
苎麻纤维复合材料应用范围非常广泛,主要应用于汽车、建筑、土木工程、交通运输等各方面,在苎麻纤维复合材料应用领域中,尤其值得一提的是苎麻纤维在汽车上的应用,除了顶盖、门饰板、高价箱、前后保险杠、仪表盘、座椅等,现在也应用到挡泥板衬、扰流板、前后保险杠、发动机罩等外部部件[45]。这种新型材料取代汽车生产中使用的玻璃纤维,可减少车身重量,这是降低汽车能耗有效的办法之一。此外麻纤维复合材料由于其优良的性能可以用于土工织物、皮带尺、过滤布、电缆的防护层等,甚至可以取代传统的建筑用钢结构来制造屋梁。
8 结语
苎麻增强复合材料的研究方兴未艾,并从实验室走向工程应用,尤其苎麻是我国特有的绿色资源,产量占世界总产量的近90%,在石油资源日益紧缺、环境日益受到保护的21世纪,研究苎麻复合材料正好满足人们追求自然、绿色、环保的要求,更可充分利用我国的资源,具有极为可观的经济效益和社会效益,对我国国民经济增长具有重大意义。
摘要：综述了国内外苎麻纤维复合材料的研究现状,主要包括影响苎麻纤维复合材料力学性能的因素,并介绍了复合材料界面和改善界面的方法,以及苎麻复合材料的应用。
关键词：苎麻,聚合物,复合材料,增强
复合生态纤维 篇2
针对空间碎片防护性能要求,本文设计了一种新型的多层铝-碳纤维复合材料防护屏,本文应用二级轻气炮对铝防护屏、碳纤维环氧复合材料防护屏及铝-碳纤维环氧复合材料防护屏进行了高速撞击实验,对比了三种防护屏的防护性能,研究了厚度和面密度相同时防护屏的.防护性能差异.研究结果表明铝-碳环氧复合材料复合防护屏具有更加优异的防护性能.
作 者：苗常青 王华吉 曹昱 李 谭惠丰 作者单位：苗常青(哈尔滨工业大学,复合材料与结构研究所,黑龙江,150080;天津大学,材料学院,天津,300072)王华吉,曹昱,李,谭惠丰(哈尔滨工业大学,复合材料与结构研究所,黑龙江,150080)
刊 名：实验力学 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS 年，卷(期)：2010 25(2) 分类号：V423.41 关键词：空间碎片 高速撞击 防护屏★ 复合大师经典台词
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复合生态纤维 篇3
【关键词】铝箔；玻璃纤维；风管
1.超级风管的历史
玻璃纤维具有良好的保温隔热、吸声、强力和化学稳定性等特性，是制作复合材料的首选原料。由于复合铝箔离心玻璃纤维属不燃型材料，符合GBJ16-87《建筑设计防火规范》的要求，用镀锌钢板和角钢法兰制作风管，复合铝箔玻璃纤维毡做外层的保温和保护层，已成为空调工程中一种传统做法。由于玻璃纤维对人体有害，因此，很少有人尝试单独用玻璃纤维制作风管。
80年代，美国西雅图的许多搂字改变用途，需要增设空调设备，但传统的铁皮风管受到了一些楼宇层高和吊顶承重能力的限制。于是美国Johlls Manville公司创造性地用吸声的玻璃纤维复合材料制作风管，并采用了一定的密封措施，使用效果很好，受到用户的欢迎。而后，该公司又对其进行进一步开发研究，形成了今天的超级风管系统。
2.超级风管材料的构成
2.1结构。
超级风管是由复合铝箔和离心玻璃纤维制成的，由外向内共有4层。
外层：由铝箔一布（玻璃纤维网）一纸（阻燃）所组成的复合铝箔，作为风管的外围保护层；敬内层：低密度玻璃纤维毡。
内层：高密度玻璃纤维毡，主要用于提高风管的低频吸声性能。
最内层：黑色聚丙烯吸声防菌涂料（阻燃）。该层将玻璃纤维凝聚在一起，防止其脱离后随风进入室内，同时提高了高额吸声性能。
2.2主材对样品进行显徽镜测量，测得超级风管的玻璃纤维直径为5-275，μm，属普通离心玻璃纤维，质脆易断，虽然内表面踪有聚丙烯，但在加工过程中不可避免地会对风管形成污染。如果散落的玻璃纤维随风飘落到室内，对人体会产生危害。因此，我国空调界对使用超级风管尚有异议。所以在加工的过程中，每道折缝和接头处均应加胶粘接牢固，以防玻璃纤维脱落，加工安装后需将玻璃纤维碎屑严格清理干净。
3.复台铝箔玻纤超级风管材料的性能
3.1一般使用性能
3.2声学性能
由于超级风管板材是吸声材料，因而吸声性能优良，根据声学原理，吸声性能好的材料往往隔声性能较差，但不能据此否定超级风管，关键在于空调系统设计师的灵活处理运用。
3.2.1吸声性能
由于超级风管去除了传统风管的镀锌铁皮，玻璃纤维层能够与气流直接接触，使得玻璃纤维的吸声性能得以施展发挥。该产品与国产超细玻璃棉的吸声性能。可见，该风管材料厚度小于国产风管材料，但吸声系数却较高，相应地单位长度风管消声量也较大。
3.2.2隔声性能
根据声学原理，吸声材料要求表面具有孔隙，结构松软，而隔声材料要求密度大、厚重，因此一般的吸声材料的隔声性能均不佳。可见，虽然超级风管管板材料的吸声性能优异，但隔声性能较差。行业内有些人士错误地认为超级风管可以代替消声器，殊不知消声器陈了吸声作用外，隔声也是一个不可忽视的指标。如用该产品代替消声器，则噪声会穿透管壁传人室内，影响室内的噪声指标。
3.2.3流体力学性能
根据Johns Manville公司提供的资料，以内径d=400rnm，长f=6100m1，管内风速u=10.16m/s的风管为例，进口超级风管与国产风管对比。
超级风管阻力比传统镀锌铁皮风管大1/4。阻力增大的原因是因其表面粗糙，凹凸不平，阻力特性不同于镀锌铁皮风管，在设计时需根据具体情况计算。
3.2.4防漏风性能由资料摘录风管泄漏系数
可见，其泄漏量很小，达到SMACNA泄漏量6级。原因在于风管同的接头采用承插接口，而且该风管采用整块材料折合，接缝少，结台处采用专用密封胶和热力密封胶带封固。
3.2.5机械强度
超级风管材料由于特殊的加工工艺，其刚性比国产保温用复合铝箔离心玻璃纤维毡好，但该公司在产品样本和设计手册中均未提供其抗弯曲、抗拉伸等常规的机棱性能参数。而传统风管的相应数据就较齐备，设计选用方便。不同风压下不加强风管的最大制作尺寸，大于该尺寸的风管应接402mm模数间隔加强，施工工作量增加。当就此问题询问该公司时，该公司的回答是当需要时，可在铁皮风管内加超级风管内衬材料（无铝箔层），或选择定购中压型超级风管产品（增加壁厚），但造价将大大上升。由此可见，超级风管系统的开发工作还远未达到传统风管的水平，国内空调界有必要加紧投入研究，填补其空白。
3.2.6防积尘和抗苗性能
超级风管产品样本上介绍该产品内表面涂有一种阻燃抑制微生物生长的聚丙烯涂料，具有较强的防苗性能。但我们收到的样品内表面的涂料层是粗糙的开孔透气结构，实际使用的过程中易产生积尘现象。正如资料中指出的：“给予一定的条件，微生物还是会在积累的灰尘中生长”。根据我国空词系统的实际使用经验，风管内部积累的灰尘是不易也较少有机会清理的，而我国目前的大气品质与美国相比差距较大，采用超级风管产品时，应为空调系统配置性能较好的过滤器（系统风压、耗电、造价等均会增加）。
超级风管板材在消声、密封性、重量等方面优于传统风管，在防火性能上稍低于传统风管（考虑到超级风管内层滁科等为高分子有机材料），在保温性能上接近国产复合铝箔离心玻璃棉毡。但在隔声、机槭强度、耐高湿抗水性和抗积尘等方面大大不如传统风管。在价格方面，目前超级风管成品（包括安装费）大约在16e元/m2左右，并不比传统风管占优势（因其主材进口价格高），在加工制作大尺寸风管时，还可能高于传统风管。其实，超级风管的目前的真正优势，在于其加工性能和对建筑的适应性等方面。
4.超级风管的优势
4.1加工安装方便
超级风管材质轻，连接简单，工序短，安装时工效高。由于风管在工厂化加工时，就已加工好接口，安装时只需施腔，贴密封铝箔。现场和图纸尺寸有差异时，因风管在加工时已留有余量，现场切割也很方便。吊装时，所需吊架简单，数量少，几乎不用机械，安装周期短，睬受业主欢迎。在与水、电、气等专业管道交错时，风管可以适当压扁，回避交叉。由于对支架要求低，在建筑承重情况不利时，更有其优越性。风管没有法兰，风管表面平整美观，优于传统风管。
4.2运输方便
由于材料韧性好，可抵抗运输和安装过程中的碰撞，减少损坏。运输时，风管长度一致，小风管可以套在大风管内.实在不行还可以将风管压扁或展开捆扎运输，不用担心其损坏。
4.3产品规范化
超级风管系列所有产品，从管板材料、加工设备到密封材料都有证书和注册，有严格的规格标准和标记。有符合IS09000（ANSIfAS（～90）的品质标准证书，符合美国和国际上的有关标准，如ULl81一级风管，ASHRAE62 89.ASTM（21和G22等）。因此，其产品制作质量稳定，外形美观。
5.结论
综上所述，从技术角度讲，该风管从机槭强度、防火性能、使用温度（如不能用于防火排烟管道）和压力范围（特别是负压），防潮防水和净化等级等指标方面目前还不能取代传统风管。但是，从安装、标准化、产品外观、对建筑的适应性方面来讲，明显优于传统风管。由于隔声性能不佳，该产品不能取代消声器，其吸声性能的优势得不到发挥，但用于末端风管可以起到防止相邻房阐串音的作用。该产品属于新型节能复合材料，在我国尚无有关规范可引用，在进一步开发和完善方面尚有较大的问题和潜力。在经济性方面，目前该产品的进13价格约为同等厚度国产复合铝箔离心玻璃棉保温毡的4-5倍，实际市场价格，完全取决于该公司的营销价格政策。超级风管虽有其不足之处，但其拥有的种种优点足以打动业主们，特别是在买方市场条件下，极具竞争力。