(完整版)天然纤维增强热塑性复合材料

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5.6－6.8Kg。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表1天然纤维复合材料在汽车上的主要应用产品主要用途部分应用黄麻/聚丙烯轿车内饰件，吸噪声板，备用轮罩，提高NVH①指标等Mercedes，Benz，Ford剑麻/聚氨酯泡沫轿车内饰件，车门内饰板，吸噪声板，提高NVH①指标等Audi，Toyota，Rover洋麻/聚丙烯汽车装饰部件，如车门面板、座椅、靠板、顶棚、行李盘Volvo，Saab，Renault，Ford亚麻、剑麻毡/环氧车门面板、车内部件Mercedes-BenzE亚麻/聚丙烯冷却器架、引擎挡板Ford洋麻、大麻/聚丙烯车门面板、内饰件SAAB9S亚麻、剑麻/聚丙烯座椅后背、车门面板MercedesM，Ford，GM洋麻、大麻/聚丙烯车门面板FordMondeo大麻/聚丙烯发动机护罩FordFocus天然纤维复合材料在汽车上的主要应用表2天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较制品传统复合材料质量/G天然纤维复合材料质量/G减轻质量/％汽车面板ABS1125大麻/EP82027汽车隔热板玻璃纤维/PP3500大麻/PP260026托盘玻璃纤维/PP15000苎麻/PP1177022发动机罩盖——15600——1020034.6左挡泥板——4500——260042.2右挡泥板——4500——270040.0左侧车门——14000——730047.9右侧车门——14000——750046.4天然纤维复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)：221–274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）0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.00010203040Tensilestrength(Mpa)Fibercontent/%withouttreatmentwithtreatment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（13.15％）11021（11.22％）010002000300040005000600070008000AFBCDE0102030405060Tensilemodulus(MPa)Tensilestrength(MPa)strengthmodulus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PPMAPPPP-g-GMAKH55001020304050607080Impactstrength(J/m)Compatibilizertype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TensileStrength(MPa)TensileModulus(MPa)FlexuralStrength(MPa)FlexuralModulus(MPa)ImpactStrength(J/m)WT28.58392744.83254361.8TEOS(m)42.61486955.99339945.5CaSiO3(m)41.43460860.75300331.6Mica42.21407958.45270931.9Talc41.68402258.14287637.5wollastonite42.77406557.48268337.4专用性能与综合性能的平衡通用性能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(传统片材4000～5500g/m2）体密度0.3～0.8kg/cm3(传统片材1.1～1.3kg/cm3）特点：（1）更低的可挥发性有机物（VOC）。（2）更轻，减重效果明显。（3）更好的吸音、隔热性能，更低的热膨胀系数。（4）A级表面。（5）经济的制品成型过程。模腔中所需要的压力只有0.1MPa左右，一般不会超过0.2MPa，传统的片材制品成型时所需要的压力为10～20MPa。（6）更大的制品设计自由度。轻质热塑性复合片材制备——喷动流化床预混工艺发明专利：01112947.6；WO02/94430A1轻质片材——成型轻质片材——性能轻质复合片材的力学性能厚度（mm）2.03.04.0相对密度0.50.330.25玻纤含量（％）505050面密度（g/m2）100010001000拉伸强度（MPa）11.817.303.01拉伸模量（MPa）1452914232弯曲强度（MPa）20.8716.443.34弯曲模量（MPa）1361932187缺口冲击强度（J/m）23021691轻质片材——性能优越的吸声性能轻质片材——应用车顶：等比例缩小尼桑Xterra轿车车顶衬里轻质片材——应用轻质片材——应用该片材还可以用作遮阳板、后行李隔板等汽车内饰件2004年夏天出产价值14万美金的福特GT，首次在一辆车中大量使用这种片材做内饰件，包括前、中、后立柱，副仪表板等，总计有近20件，标志这这种材料大量使用的一个新里程。轻质片材——应用LWRT材料制成的公共汽车车顶门Azdel与英国的BI公司合作，2004年在欧洲推出了轻质热塑性复合片材制造的车顶棚，将应用其发展到汽车外饰件。此外Azdel还在针对火车上的特殊要求，专门推出了Railite复合片材，更大地扩展了轻质热塑性复合片材的应用。技术关键：纤维束的充分分散和纤维长度的有效保留相结合。纤维的单丝分散率：≥85%；纤维长度：≥5mm；纤维含量：20-40%wt。特点：生产工艺流程短，生产设备相对简单，投资节约；能量利用合理，能耗低；以通用工业原料进行生产，所有原材料立足国内，便于组织生产；材料流动性好，易于加工复杂、薄壁制品，对于压机和模具要求低。规模：建成150吨/年的中试生产线一条，在2005.12投入生产。华东理工大学LFT在线混合生产线在线混合模压成型热成型LFT应用部分产品卡车侧护板（NFRT天然纤维）发动机护板（LFT长纤维增强）车顶（LWRT轻质热塑性片材）保险杆等（GMT）华东理工大学LFT应用卡车侧护板：天然纤维/云母增强聚丙烯天然纤维复合材料——应用备胎架（SpareWheelCover）重量对比谢谢！