塑料工程師學(xué)會北京分會

天然纖維是能在相對較短時間形成的可持續(xù)資源。與碳纖維、玻璃纖維及其他人造纖維相比，天然纖維可以為高分子復(fù)合材料的生產(chǎn)提供無限資源。以前許多研究集中于天然纖維潛在的增強作用。天然纖維的低密度意味著這種增強復(fù)合材料的特點便是輕質(zhì)量和優(yōu)異性能。天然纖維的單獨使用一般不足以滿足纖維增強復(fù)合材料的技術(shù)要求，合成纖維與天然纖維的結(jié)合使用才能提供一個更加優(yōu)化的、經(jīng)濟和環(huán)境更加友好的解決方案。

復(fù)合材料的纖維增強多應(yīng)用于需要減少成本的領(lǐng)域，例如消費品，汽車行業(yè)，以及低成本住房。到目前為止，各種天然纖維已被開發(fā)使用（例如從以下植物中獲取的纖維：椰子，劍麻，黃麻，苧麻韌皮，菠蘿葉，洋麻韌皮，馬尼拉麻片，蒲式耳，棗椰子，竹子，棕櫚，香蕉，大麻，亞麻，稻殼纖維，和棉）。在這些應(yīng)用中，這些纖維被用于替代鋼或合成纖維的復(fù)合增強件。

在這項工作中，我們的目的是研究一種新型夾層結(jié)構(gòu)的的機械性能。我們以椰殼纖維氈為核心，外面包覆編織玻璃纖維粗紗皮。我們比較了椰殼纖維/聚酯復(fù)合材料和椰殼玻璃纖維/聚酯復(fù)合材料來確定的最終復(fù)合結(jié)構(gòu)的機械性能的改善。研究結(jié)果因此可以用來確定椰殼玻璃纖維/聚酯夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)可能的用途。

椰殼是一種木質(zhì)纖維，目前在農(nóng)業(yè)和園藝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它是從熱帶地區(qū)的椰子果皮（外層）中得到的。關(guān)于椰殼纖維的復(fù)合材料增強的原因有幾種解釋，這是我們研究的重點。例如，椰殼纖維具有高的耐候性，與其他天然纖維相比具有高木質(zhì)素含量。事實上，在所有的天然纖維中，椰殼纖維的特征在于特別高的木素含量（40-45wt％）和非常低的纖維素含量（32-43wt％），這就會引起吸水性達到最小水平。椰殼纖維通常長10-30cm，因此具有高的長徑比。此外，微纖維45℃的螺旋結(jié)構(gòu)意味著椰殼纖維可拉伸至超過其彈性極限而不破裂。

對于我們的夾層復(fù)合材料（參見圖1），我們使用非編織椰殼纖維氈作為芯材。我們使用真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模制技術(shù)制造這些氈子。為了評估我們的椰殼纖維/聚酯和椰殼玻纖/聚酯復(fù)合材料的機械和物理性能，我們測量了增強劑含量、樹脂含量、面密度和厚度。物理性能測試的結(jié)果顯示，相比椰殼纖維/聚酯復(fù)合材料，椰殼玻纖/聚酯夾層結(jié)構(gòu)通常具有較低的厚度膨脹率、吸水率以及含水量（參見圖2）。在我們的機械試驗中，我們測量了每種樣品的抗拉強度、開孔拉伸強度及抗彎強度。我們發(fā)現(xiàn)，相比椰殼纖維/聚酯復(fù)合材料的拉伸強度（8MPa），椰殼玻纖/聚酯夾層結(jié)構(gòu)具有明顯更大的拉伸強度（70MPa）。

圖1 復(fù)合樣品不同方面的圖示。 （A）夾層結(jié)構(gòu)作為芯材的非編織棕墊照片。 （B）作為復(fù)合材料包覆層的編織玻璃纖維粗紗皮照片。 （C）在本研究中使用的不同椰殼纖維和玻璃纖維夾層結(jié)構(gòu)的示意圖。每個樣品通過一個縮寫表示它的組成部分。 （D）真空輔助樹脂傳遞模塑成型過程中，椰殼纖維和玻璃纖維織物的照片。 （E）在該技術(shù)中所使用的流動介質(zhì)。

圖2 椰殼纖維增強夾層復(fù)合材料的吸收性能和力學(xué)性能。（a）開孔與不開孔樣品的拉伸模量。（b）厚度膨脹率。（c）2，24，48，和96小時后的水吸收量。

在我們的實驗中，我們還發(fā)現(xiàn)，引入玻璃纖維作為包覆層的椰殼纖維/聚酯復(fù)合材料顯著提高了其物理和機械性能。例如，96小時后，樣品的厚度膨脹率從13.3%減少到1.85%。加入編織玻璃纖維后，吸水率及水分含量也相應(yīng)減少。與此相反的是，拉伸強度、拉伸模量和合材料的彎曲強度都顯著增加。我們測量到拉伸強度增加了4.2-69.2MPa，拉伸模量增加了2-6 GPA，抗彎強度增加了31.8Gpa-131.5MPa，參見圖2（a）。我們可以用“工”形梁的概念解釋抗彎強度的提高。在“工”型梁承受撓曲載荷時，凸緣受壓縮和張力，這類似于包覆層中的復(fù)合材料，而芯材承載剪切應(yīng)力，并導(dǎo)致彎曲剛度的提高。

       總之，我們已經(jīng)使用天然椰殼纖維作為一種新穎的聚合物增強材料。我們還研究了椰殼纖維/聚酯和椰殼玻纖/聚酯復(fù)合結(jié)構(gòu)的機械和物理性能。我們的結(jié)果表明，相比椰殼纖維/聚酯樣品，椰殼玻纖/聚酯樣品具有更高的拉伸強度。此外，我們發(fā)現(xiàn)，這兩個復(fù)合結(jié)構(gòu)的特性可以通過編織玻璃纖維的包覆大大改善。這些足以說明我們的新穎的復(fù)合材料適合應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域（例如建筑、汽車和家具行業(yè)）。在我們今后的工作中，我們計劃增加天然纖維含量，并使用天然樹脂做基體復(fù)合材料，同樣用椰殼纖維作為增強劑，探索性能更加優(yōu)異的復(fù)合材料。