天然纤维增强热塑性复合材料

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1、天然纤维增强热塑性复合材料的高性能化及其应用戴干策李宾孙占英华东理工大学化学工程联合国家重点实验室聚合物加工研究室（200237）2009.11.20背景应用开发展望节能/减排——汽车工业可持续发展的必由之路强化、拓展复合材料应用——汽车节能/减排的首选措施先进复合材料、钢和铝在车身减重方面的对比材料类型减重百分比高强度钢25－35％铝40－55％先进复合材料50－67％不同材质的汽车零部件在制造中耗能不同，以生产质量相同（450克）的零部件为例，采用塑料或复合材料所耗能源折合汽油3.8－4.5Kg，若采用铝或钢，所耗能源折合汽油5.6

2、－6.8Kg。此外，塑料模具费用是钢制件模具费用的10～20％。提高塑料零部件的设计自由度不提高成本，从开发到批量生产周期短。模块化效益序号类别效益（％）1性能+232每辆汽车系统成本-143每辆汽车系统重量-224每辆汽车部件数量-225紧固件、附件数量-276安装工序-9个工作台和15个工作区热塑性聚合物复合材料为汽车轻量化和模块化提供了前提条件。GMT、LFT、NMT是其中最杰出的代表。天然纤维增强热塑性复合材料NaturalFiberReinforcedThermoplastics基体相：热塑性通用树脂（PP、PE、PVC等）增

3、强相：天然的植物纤维（剑麻、黄麻等）纤维形式：短纤维、纤维毡典型代表产品：短纤维增强材料SNRT（ShortNaturalFiberReinforcedThermoplastics）纤维毡增强材料NMT（NaturalFiberMatReinforcedThermoplastics）天然纤维的特点优点：密度小，价格低，环境友好，可自然降解，对身体无刺激，对加工设备磨损小。缺点：生物物质，多孔性结构，性能分散性大，易受潮，对热较敏感，与基体相容性较差。天然纤维复合材料在西欧汽车工业中的应用及发展天然纤维复合材料在汽车上的主要应用天然纤维复

4、合材料与传统材料制品质量比较纤维种类密度（g/cm3）伸长率（%）拉伸强度（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–

5、274与玻璃纤维、碳纤维性能比较材料拉伸强度/Mpa拉伸模量/Gpa理论值实际值理论值实际值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天然纤维改性

6、的潜力，源头控制（生物矿化）改善复合材料性能的途径（1）纤维改性（增强体的改性）表面改性（改善纤维与基体的相容性）内部改性（改变纤维的自身性能）不经处理，仅填充，不增强碱液处理，硅烷处理，乙酰化处理，苯甲酰处理，丙烯腈接枝处理，高锰酸处理，过氧化物处理，异氰酸处理，硬脂酸处理，次氯酸钠处理。表面改性内部改性前后单纤维性能的测定MethodTensileStrength(MPa)TensileModulus(MPa)withouttreatment3279909TEOS375（14.68％）11522（16.28％）CaSiO3370（1

7、3.15％）11021（11.22％）纤维含量30%复合材料拉伸性能D强度和模量分别提高24.05％和58.33％基体改性不同相容剂的应用（相容剂的复配使用）MAPP（提高强度模量很好，但对冲击具有负作用）PP-g-GMA（提高冲击较好）PP-g-AAPP-g-Si改善复合材料性能的途径（2）改善复合材料性能的途径（3）界面结合改性不同官能团之间的相互反应纤维含量30%复合材料冲击性能冲击强度比加入MAPP提高约50.7％改善复合材料性能的途径（4）混杂增强无机填料与天然纤维混杂不同种类的天然纤维之间混杂专用性能与综合性能的平衡通用性能

8、专用性能综合性能材料的复合形式注塑产品片材模压产品根据具体需要选择合理的工艺特点及应用前景改善了纤维地域选择的局限性复合材料性能改善的针对性，可控性NMT制备技术轻质热塑性片材面密度600～2000g/m2