天然植物纤维增强环氧树脂复合材料研究进展_陈健
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牧豆树胶在纤维增强复合材料中的应用研究
牧豆树胶在纤维增强复合材料中的应用研究牧豆树胶是一种由牧豆树的树脂提取而得到的天然胶黏剂。
它具有优异的黏附性、耐化学腐蚀性和高温稳定性等特点，因此在纤维增强复合材料中有广泛的应用潜力。
本文将深入研究牧豆树胶在纤维增强复合材料中的应用，并探讨其对强度、耐用性和可持续性等方面的影响。
首先，牧豆树胶可以作为纤维增强复合材料的粘合剂使用。
纤维增强复合材料通常由纤维和基质两部分组成，而牧豆树胶则可以作为一种优质的粘合剂，将纤维与基质牢固地粘合在一起。
由于牧豆树胶具有较高的黏附性，可以有效地增强复合材料的整体强度和稳定性。
此外，牧豆树胶还具有较低的挥发性和化学稳定性，能够在高温和潮湿环境下保持较好的粘接性能。
其次，牧豆树胶还可以用作纤维增强复合材料的增韧剂。
在许多实际应用中，纤维增强复合材料需要具有较高的抗冲击性和能量吸收能力。
牧豆树胶在这方面具有良好的性能，它可以增加复合材料的断裂韧性，提高其抗冲击性能。
这主要是由于牧豆树胶具有良好的储能和释能能力，能够吸收外部冲击力并迅速释放储存的能量，从而避免材料断裂的发生。
此外，牧豆树胶还可以提高纤维增强复合材料的耐久性和抗老化性能。
复合材料在长期使用中常常会受到环境因素如紫外线、湿度和高温等的影响，导致材料的性能下降和老化。
牧豆树胶具有良好的耐化学腐蚀性和抗老化性能，可以在一定程度上减缓材料的老化过程。
并且，牧豆树胶还具有良好的耐水性能，可以防止水分渗入复合材料内部导致的性能下降。
最后，牧豆树胶的使用还有助于提高纤维增强复合材料的可持续性。
牧豆树胶是一种天然的植物树脂，其提取和生产过程相对环保。
与传统的合成树脂相比，牧豆树胶不含有害物质，减少了对环境的污染。
同时，由于牧豆树胶具有良好的耐久性，使用牧豆树胶制成的纤维增强复合材料寿命较长，减少了资源消耗和废弃物的产生，进一步提高了材料的可持续性。
综上所述，牧豆树胶在纤维增强复合材料中具有广泛的应用前景。
其优异的粘接性能、增韧性能、耐久性和可持续性，能够满足复合材料在各种应用领域中的要求。
碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究报告进展
碳纤维增强复合材料用环氧树脂研究进展摘要：综述了环氧树脂的合成方法、固化方法以及改性的研究现状以及理论知识，介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的生产和性能，重点讲述了环氧树脂的改性方法。
关键词：环氧树脂；碳纤维；复合材料；改性碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量、综合性能优异的新型纤维材料，其中含碳量高于99%的称石墨纤维。
碳纤维作为一种高性能纤维,具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、抗蠕变、耐辐射、耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等诸多优异性能。
此外,还具有纤维的柔曲性和可编性[1]。
碳纤维既可用作结构材料来承载负荷,又可用作功能材料。
因此在国外碳纤维及其复合材料近几年的发展都十分迅速。
碳纤维的制备是有机纤维进行碳化的过程，在惰性气体中将含碳的有机物加热到3000℃左右，非碳元素脱离，碳元素含量逐步增大并最终形成碳纤维。
其典型的宏观结构如图1所示。
图1 碳纤维的宏观结构a 整体效果b 局部效果1891年德国的Lindmann用对苯二酚和环氧氯丙烷合成了树脂状产物，1909年俄国化学家Prileschajew发现用过氧化苯甲醚和烯烃反应可生成环氧化合物，在19世纪末20世纪初的这两个重大发现揭开了环氧树脂走向世界的帷幕。
环氧树脂是一类重要的热固性树脂,是聚合物复合材料中应用最广泛的基体树脂。
环氧树脂具有优异的粘接性能、耐磨性能、机械性能、电绝缘性能、化学稳定性能、耐高低温性能,以及收缩率低、易加工成型和成本低廉等优点,在胶粘剂、电子仪表、轻工、建筑、机械、航天航空、涂料、电子电气绝缘材料及先进复合材料等领域得到广泛应用[2]。
我国环氧树脂的研制开始于1956年，在、两地首获成功，并在1958年于首先开始了工业化生产。
到了60年代中期国开始研究新型的环氧树脂，如脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂、缩水甘油酯环氧树脂、聚丁二烯环氧树脂等种类，70年代末着手开发了元素改性环氧树脂、特种环氧树脂等诸多新品种。
竹纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究
维增强环氧复合材料 ，拉伸 和冲击强度得到明显改善 ；当竹纤维含量 为 ２％时，Ｂ ／ Ｐ复合材料的力学性能最佳， ０ ＦＥ 拉伸和冲
击 强 度 分 别达 到 ３ ． ＭＰ 、８３ＭＰ 。 ７６ ４ ａ ． ０ ａ
关键词 ：竹纤维
环氧树脂
复合材料
力学性能
中图分类号 ：Ｔ ２ Ｂ３ ２
文献标识码 ：Ａ
由玻璃纤维 、芳纶和碳纤维等 ， 这些增强纤维材料
性能 良好且 均匀 ，但 它们 一般 都存在 着加工 困难 、
耗能大、造价高、易造成环境污染等问题 。而天然 植物纤 维如竹 纤维 等 来源广 泛 、性 能适 中 ，它们在
复合 材 料 中 的应 用 正 越 来 越 引 起 国 内外 材 料 界 的
梁春群 ，莫 攸
（ 广西师范学 院化学与生命科学学院院 ，广西 南宁 ５ ０ ０ ） ３０ １
摘
要 ：采用硅烷偶联剂对竹纤维进行表面改姓 ，通过热压成 型工艺制备 了竹纤维增强环 氧树 脂 （ Ｐ）复合材料 。研 Ｅ
究 了竹纤维 （ Ｆ）的长度 、竹纤维含量和 Ｃ Ｃ ３ Ｂ ａ Ｏ 含量对竹纤维／环氧 （ ＦＥ 复合材料力学性能的影 响。结果表明 ，竹纤 Ｂ ／Ｐ）
第３ ９卷
第 ８期
化
工
技
术
与
开
发
Ｖ０ － ９ Ｎｏ ８ ｌ３ ． Ａｕ ２ ０ ｇ．０１
２１ ０ ０年 ８月
Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｃ ｎｏ ｏ ｙ＆ Ｄｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔｏ ｍ ｉａ ｎｄ ｓｒ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆＣｈｅ ｃ ｌ Ｉ ｕ ｔｙ
竹纤 维增强环氧树脂复合材料 的力学性能研究
再生能力强， 成材期短， 生长迅速， 栽种成活后４ ～５ 年即可成林砍伐。竹材料纤维由于其强度高、原料 丰富 、 天然抗 菌性 好 、 吸湿 放 湿和质感 柔软 等特 点 ， 目前主要用于建筑 、造纸和纺织ｒ ９ 卜】 等行业， 因其有 很好的强度特性， 也用于制作高性能的复合材料【】 ｍ。
纤维增强聚合物基复合材料研究进展
碳纤维复合材料，其所选择的是等级稍低的工业级CFRP材料，成本可以控制 在传统碳纤维材料的一半左右。
中投顾问化工行业研究员常轶智指出，为了提高燃油效率和降低二氧化碳的排 放量，近年来汽车轻量化发展已成趋势。而碳纤维复合材料具有质量轻、拉伸 模数高、拉伸强度大等特点，在汽车中的应用要明显优于钢材等其它材料，预 计未来其在汽车领域中的应用前景将十分乐观。 据悉，现在汽车领域对碳纤维复合材料的需求增长十分迅速，不少汽车的代工 工厂已经在与碳纤维制造商合作研制可用的汽车部件。例如，赢创与江森自控、 雅各布塑料(Jacob Plastic)以及东邦特纳克斯(Toho Tenax)共同研发碳纤维增强 塑料(CFRP)轻质材料；东丽与戴姆勒(Daimler)达成共同研发协议，为梅赛德 斯—奔驰研发CFRP部件等。 预计未来随着汽车领域需求的增长，碳纤维复合材料的市场容量将会进一步扩 大。据美国咨询公司弗若斯特沙利文日前发布的相关数据显示，2010-2017年， 碳纤维复合材料的复合年均增长率将达到31.5%。预计到2017年，全球汽车碳 纤维复合材料市场将增长至7885吨，其销售额也将由2010年的1470万美元增 长至2017年的9550万美元。 中投顾问发布的《2011-2015年中国新材料产业投资分析及前景预测报告》显 示，碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，其重量仅相当于钢 材的20 %-30 % ，硬度却能达到钢材的10 倍以上。因此，现在碳纤维材料已 备受汽车制造商的青睐，目前已被开始大量应用于汽车内外装饰中。
2、 氰酸酯树脂
氰酸酯树脂吸湿率低、韧性好、介电性能好（介电常数2.7-3.2，介电损耗 0.001-0.005）。氰酸酯是未来结构/功能一体化的有力候选材料，氰酸酯 树脂一般需要较高的后处理温度。 氰酸酯树脂收缩率较低,吸湿率小于115% ,电性能好,介电损耗角正切值低, 仅为01002～01008,介电常数为218～312,具有优良的粘结性和良好的阻燃 性。此外,氰酸酯树脂还具有优良的力学性能,其弯曲强度和弯曲模量高于双 官能团环氧树脂,弯曲模量介于双马来酰亚胺和多官能团环氧树脂之间,玻璃 化转变温度较高( Tg为240～280℃) ,并且改性后可以在170℃左右进行固 化。因此,有关氰酸酯树脂的应用及改性已愈来愈受到人们的关注。
高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展
高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展
李佳楠;姜亚明;项赫;杨晨
【期刊名称】《化工新型材料》
【年(卷),期】2024(52)1
【摘要】高性能纤维增强树脂基复合材料具有卓越的结构整体性及抗分层等特性,在诸多工业领域中具有广泛适用性。
在其储藏及使用时,制件强度会不可避免地因湿热老化造成降解和退化。
探讨和揭示高性能纤维增强树脂基复合材料在不同湿热老化环境下的力学响应,对其结构件的耐久性、安全服役性能和寿命预估具有至关重要的意义。
综述了国内外高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化方面的研究进展,介绍了其吸湿机理以及在湿热环境下的老化机理。
梳理了湿热老化环境对于高性能纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响,寿命预测模型等。
最后指出了高性能纤维增强树脂基复合材料老化研究存在的问题、面临的挑战,对未来研究发展方向提出了展望。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】李佳楠;姜亚明;项赫;杨晨
【作者单位】天津工业大学纺织科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
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1.纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展
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5.纤维增强树脂基复合材料湿热老化行为的研究进展
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植物纤维增强聚合物基复合材料湿热老化研究进展
植物纤维增强聚合物基复合材料湿热老化研究进展
张儒;姜宁;徐家川;李迪
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2024(38)2
【摘要】植物纤维具有材料成本低、来源丰富、可再生、可生物降解、比强度和比模量高等优点,以植物纤维代替合成纤维作为增强体制备的绿色复合材料引起了学术界和工业界的普遍关注,并初步应用于汽车、建筑、航空航天等领域。
与传统合成纤维相比,植物纤维自身的多层次、多尺度结构和与生俱来的亲水性使得其增强聚合物基复合材料在服役过程中容易受水分和温度的影响,引起力学性能下降,可能导致整个结构的破损甚至失效,从而阻碍其应用和发展。
近年来,学者们对植物纤维增强聚合物基复合材料湿热老化进行了相关的研究。
本文从复合材料吸水行为、影响复合材料吸水的因素、湿热老化对复合材料力学性能的影响、复合材料界面失效机理、复合材料湿热老化机理和化学处理对复合材料湿热老化的影响等几个方面综述了国内外植物纤维增强聚合物基复合材料湿热老化研究现状,希望为研究植物纤维增强聚合物基复合材料湿热老化的学者提供参考。
【总页数】8页(P241-248)
【作者】张儒;姜宁;徐家川;李迪
【作者单位】山东理工大学交通与车辆工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
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天然植物纤维增强环氧树脂复合材料研究进展
摘要：本文综述了近年来国内外利用天然植物纤维为增强体，制备环氧树脂基复合材料的研究概况。全 文对增强体天然植物纤维的种类、纤维表面改性方法、基体环氧树脂体系、天然植物纤维环氧树脂基复合 材料的成型工艺以及复合材料性能测试方法做了全面的综述。总结了研究中存在的问题，同时对天然植物 纤维增强环氧树脂基复合材料的发展应用，提出了自己的观点。 关键词：天然植物纤维：增强：表面敢性：环氧树脂：复合材料
Ｚｈｉ
Ｒｏｎｇ等啪１将剑麻在空气循环干燥烘箱中１５０＂Ｃ下热处理４ｈ，与
未处理的剑麻纤维相比，结晶度由６２．８％增加到６６．２％，拉伸强度由３９１．ＩＭＰａ增加到５３５．ＩＭＰａ， 断裂伸长率由２．５％增加到３．５％。闫红芹等婚¨对竹纤维进行热处理试验，得到断裂强度、断裂伸 长、模量、断裂功的保持率与热处理温度和热处理时间的关系。结果表明，在温度不超过１２０℃时 温度对竹纤维力学性能的影响不大，但在高温下较长时间处理后各项力学性能显著变坏，温度和 时间对竹纤维的力学性能都有衰减作用，温度的影响要大于时间的影响。因此，适当温度下的热 处理能有效去除天然植物纤维的游离水，降低结合水含量，一定程度上提高了纤维的结晶度和纤 维强度，能避免复合材料生产过程中因水份的存在而产生气泡等缺陷导致的复合材料性能下降。 １．１．３碱处理法 碱处理或丝光化处理法是天然植物纤维处理最有效的方法之一。该处理方法能使天然纤维中的 部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质溶解以及微纤旋转角减小，分子取向度提高。一方面， 纤维表面的杂质被去除，纤维表面变得粗糙，纤维与基体之间黏合能力增强；另一方面。碱处理导 致纤维微原纤化，纤维的直径降低，长径比增加，纤维的强度和模量升高，纤维的氢键断裂，同时 与基体的有效接触表面增加。对于木纤维，常采用在２３℃下１７．５％ＮａＯＨ溶液浸泡４８ｈ来处理；对 于黄麻纤维，用２５％ＮａＯｌｉ溶液在２０℃下处理２０ｍｉｎ，可使黄麻纤维纱线的拉伸强度提高２０％，拉 伸模量提高５０％。 Ｂａｃｈｔｉａｒ等ｎ８１研究了碱处理对糖棕榈纤维增强环氧树脂复合材料拉伸性能的影响。试验采用 ０．２５Ｍ和Ｏ．５Ｍ两种浓度的ＮａＯＨ对糖棕榈纤维分别处理ｌｈ、４ｈ和８ｈ，将经过处理的纤维与环氧树脂 复合；通过扫描电镜分析发现，经过碱处理的糖棕榈纤维与基体环氧树脂间的界面连接并没有受到 很大的影响，而碱处理后纤维环氧复合材料与未处理纤维环氧复合材料比拉伸强度得到了明显提高， 碱处理法能提高糖棕榈纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸性能。Ｉｓｌａｍ等Ｈ副采用５ｗｔ％ＮａＯＨ和２ｗｔ％ Ｎａ２Ｓ０３水溶液１２００Ｃ下处理工业大麻１ｈ，水洗烘干后将纤维与环氧树脂复合，通过单丝拉出测试 纤维与基体树脂的界面剪切强度以及对复合材料的其它机械性能测试发现，碱处理法增加了纤维与 基体间的界面剪切强度，同时复合材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率均得到提高。Ａｒｎｏｌｄ等 啪１采用０．０６Ｍ ＮａＯＨ处理剑麻纤维，经处理的纤维分别与聚酯树脂和环氧树脂复合，结果发现经碱 处理的剑麻纤维与未经处理的相比，剑麻聚酯基复合材料的拉伸强度从２２２．６ＭＰａ提升到２８６．０ＭＰａ， 增加了２８．５％，而与环氧树脂复合材料的拉伸强度从３２９．８ ＭＰａ提升到３３５．４ ＭＰａ，只增加了１．７ ％。碱处理对剑麻纤维环氧复合材料的拉伸强度没有产生重要影响，处理纤维对环氧复合材料的疲 劳寿命也没有显著影响。Ｎｅｗｍａｎ等ｎ埘用１ ｗｔ．％ＮａＯＨ水溶液在３０ ０ｃ下处理新西兰麻叶纤维，脱除 纤维中的乙酰基。脱乙酰化作用引起纤维细胞的形态改变，减缓了水分通过复合材料的运动，对复 合材料的弯曲硬度和强度没有直观的影响。有研究认为，天然乙酰化是叶纤维酸度的来源以及导致 结构多糖水解和强度损失的主要因素。用稀碱溶液脱乙酰化法被认为是比较经济的预防复合材料在 使用过程中降解的方法。 １．２天然植物纤维的化学改性 １．２．１界面偶合改性
纤维增强介孔SiO2／环氧树脂复合材料的研究
纤维增强介孔SiO2／环氧树脂复合材料的研究采用原位的溶胶-凝胶法，以烷氧基金属化合物如正硅酸乙酯（TEOS）等作为硅源，制备SiO2/EP有机-无机互穿网络结构的聚合物，无机相与有机相之间的均匀分散，起到质点增强的作用，大幅度提高聚合物的物理力学性能。
以上述的复合物作为基体树脂，制备玻璃纤维增强复合材料，研究了基体树脂对纤维增强复合材料的力学性能和吸水性能的影响。
标签：纳米二氧化硅；环氧树脂；纤维增强材料；互穿网络结构1 前言介孔二氧化硅纳米粒子具有孔材料和纳米材料的双重功能，在催化、吸附、分离、化学传感和生物科学等应用领域具有独特的优势[1～3]。
虽然国内外的许多研究组使用了不同的方法进行尝试，但是制备粒径均一的、单分散的、尺寸可控的介孔二氧化硅纳米粒子仍然是一大难点。
硅基介孔材料是采用有机硅前驱体共缩聚的方法制备的介孔材料[4]。
由于在制备时采用正硅酸乙酯（TEOS）或水玻璃（SS）等有机硅前驱体[5～7]，共缩聚形成的介孔骨架只有Si和O元素组成，所以其骨架为无机结构。
由水玻璃和正硅酸乙酯制备了蠕虫状的MSU-J，选用凝胶时间较长的TETA 固化剂体系，与环氧树脂制备纤维增强复合材料，形成有机-无机互穿网络结构。
使用相对规整的介孔SiO2对环氧树脂有更好的增强增韧效果，并且较大且均匀分布的孔径、比表面积以及三维连通的介孔孔道有利于聚合物在其中的充分填充，在提高聚合物的力学性能方面更为有益[8～11]。
焦剑[12，13]等以正硅酸乙酯（TEOS）与氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）共聚缩合成一系列的氨基丙基修饰的蠕虫状介孔SiO2，发现其不仅对环氧树脂有增强增韧的作用，而且随APTES含量的提高，一部分氨基丙基进入骨架中，介孔SiO2粒子显示出一定柔性，介孔复合材料的断裂韧性不断上升，这说明介孔材料自身的机械性能对所制备的介孔复合材料的力学性能也有影响[14，15]。
本文中，SiO2/环氧树脂杂化材料具有优异的力学性能、热学性能、光学性能。
《植物纤维表面特性及与环氧树脂的界面粘结性能研究》论文摘要编写
《植物纤维表面特性及与环氧树脂的界面粘结性能研究》论文摘要编写关键词：植物纤维;浸润;表面能;接触角;粘附功;界面粘结强度植物纤维具有来源广泛，可再生、可降解等优点，且其比模量和比强度与玻璃纤维相当，将高性能的植物纤维与树脂基体复合而成的复合材料，已被用于建筑、交通、过滤及包装等领域。
然而植物纤维表面极性大、亲水性强，且易燃烧，因此植物纤维在与基体树脂复合前，通常要进行表面改性，以降低其吸水性、增强与低极性基体树脂的相容性以及提高阻燃性能。
因此掌握表面处理对植物纤维浸润、力学性能影响规律，以及植物纤维与树脂的界面性能，对促进植物纤维增强复合材料的推广应用至关重要。
本文首先研究了植物纤维的物理结构特征及表面特性，并采用Weibull分布理论量化了植物纤维的几何参数。
结果表明，剑麻纤维、黄麻纤维为多尺度、多化学组分、微纤具有中空结构的纤维，其表面粗糙，截面呈不规则形状；苎麻纱线由数十根苎麻纤维加捻纺织而成；表面处理能改变植物纤维表面粗糙状况和直径。
在此基础上，针对植物纤维有别于传统合成纤维的结构特征，分别采用考虑液体吸收的Wilhemy吊片法、粉末法表征剑麻纤维、苎麻纱线的浸润特性，研究了各自的表面能及其极性、色散分量，及与树脂的浸润、粘附作用。
结果表明，NaOH和阻燃剂处理显著增加了剑麻纤维表面的极性基团含量和表面能极性分量；硅烷处理使剑麻纤维表面极性基团含量增加但其表面能极性分量减小，总表面能略有下降；50℃下剑麻纤维与E51树脂的浸润性主要与其极性比密切相关，未表面处理的剑麻纤维与E51树脂极性比相当，浸润性最佳。
NaOH、阻燃剂和硅烷处理极大地增强了苎麻纱线表面非极性官能团含量，KMnO4、NaOH、阻燃剂、硅烷处理后，苎麻纱线总表面自由能及其色散分量增加，极性分量降低，且与非极性A0树脂的接触角降低，粘附功增大。
研究了植物纤维的拉伸性能及断裂机制，以及— 1/2 —— 1/2 —纤维与树脂复合后的微观界面性能，考察了表面处理、吸湿、浸渍树脂等因素对植物纤维力学及纤维/树脂界面粘结强度的影响。
木质纤维增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究(摘要)
材剩余物杨木枝桠 材为原料 ， 通过机械 粉碎 法及化学机械浆法制备 了杨木粉 、 杨木纤维 ； 分别采 用桐马酸酐 甲酯 、 异氰 酸
酯／ 硅烷偶联剂和长链不饱 和脂肪 酸对 杨木粉及 杨木 纤维表 面改性 ， 经热 压成型 制备 了木质纤 维增 强环 氧树脂 复合材 料 。改性木质纤维 表面疏水性高 ， 与环 氧树 脂具 有 良好的界面相 容性 ； 制 备 的木质 纤维增 强环氧树 脂复合 材料 ， 性能 与
陈 健（ １ ． 中国林业科 学研 究院， 北京 １ ０ ０ ０ ９ １ ； ２ ． 中国林业科 学研 究院 林产化学工业研究所 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ４ ２ ） 天然植物纤维 增强环氧树脂复合材料具有低成本 、 低能耗 、 环境友好等优 良特性 ， 近年来成 为国内外研究热 点 ， 受 到 广泛关注 。然 而 ， 天然植物纤维存在 易吸湿 、 与基体树脂相容 性差等缺 点 ， 在 复合材料 中 的应 用受 到限制 。本研 究 以木
木粉 （ Ｐ ＷＰ ） 表 面 接 枝 化 学 改 性 。研 究 了 反应 物 料 比 、 反 应温 度和反应 时 间等对杨 木粉改性 反应 的影 响 ， 并 通 过 接 触 角
测量 、 元素分析 、 红外光谱 （ Ｆ Ｔ ｒ － Ｉ Ｒ） 、 １ ３ Ｃ固体核磁共振 光谱 （ ” Ｃ Ｃ Ｐ － ＭＡ Ｓ Ｎ ＭＲ） 及 扫描 电子显微镜 （ Ｓ Ｅ Ｍ） 表征 了改性 杨
木粉的结构与表面性能 。研究表 明 ， ＭＤ Ｉ 与Ｐ ＷＰ活性羟基物 质的量 比为 ２ ： １ ， ＭＤ Ｉ 与Ｋ Ｈ ５ ５ ０物质 的量 比为 １ ： １ ， １ ２ ０℃ 反应 ２ ｈ ， 制备的改性杨木粉质量增加率 为 ４ ０ ％一 ６ ０ ％； 改性后杨木粉疏水性增强 。 ４ ． 以吡啶为溶剂 、 ４ 一 二 甲氨基吡啶 （ Ｄ ＭＡ Ｐ ） 为催化 剂 ， 采用桐酸 酰氯 （ Ｅ Ａ Ｃ １ ） 对杨木纤 维（ Ｐ ＷＦ ） 表面接枝改性 。研究 了反 应物料配 比、 反应 温度 、 反应 时间及催 化剂 用量 对杨 木纤维 改性 反应 的影 响 ， 并 通过 接触 角测 量 、 元素 分析 、 红 外 光谱 （ Ｆ Ｔ — Ｉ Ｒ） 及 扫描 电子显微 镜（ Ｓ Ｅ Ｍ） 表征 了改性杨木纤维的结构与性能 。实验表 明： Ｅ Ａ Ｃ １ 与Ｐ ＷＦ活性 羟基 物质 的量 比为
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第44卷第5期2010年9月生 物 质 化 学 工 程B iomass Che m ical Eng i n eering V o.l 44N o .5Sep .2010天然植物纤维增强环氧树脂复合材料研究进展收稿日期:2010-06-22基金项目:国家863计划资助(2007AA 100704);国家林业局948创新重大项目(2006-4-C03);国家林业局948引进项目(200-4-77)。
作者简介:陈健(1980-),男,江苏江都人,助理研究员,主要从事天然资源化学利用及环氧树脂高分子材料研究*通讯作者:孔振武,研究员,博士,博士生导师,主要从事天然资源化学利用及聚合物高分子材料研究;E -m ai:l kongzhenw u @yahoo .co 。
陈健1,孔振武1,2*,吴国民1,2,储富祥1,2(1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室,江苏南京210042;2.中国林业科学研究院林业新技术研究所,北京100091)摘 要:从天然植物纤维及其改性方法、基体环氧树脂及特性和复合材料的成型方法等方面综述了近年来国内外利用天然植物纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展。
关键词:天然植物纤维;环氧树脂;复合材料中图分类号:TQ351 文献标识码:A 文章编号:1673-5854(2010)05-0053-07Researc h Progress on NaturalVegetable F ibres Rei nforcedEpoxy Resi n Co mpositesC H EN Jian 1,KONG Zhen -wu 1,2,WU Guo -m in 1,2,C HU Fu-x iang 1,2(1.Institute of Che m ical Industry of Forest P roduc ts ,CAF;N ationa l Eng i neer i ng Lab .for B i om ass Chem icalU tilizati on ;K ey and O pen Lab .on Fo rest Che m ical Eng i nee ri ng ,SFA,N an ji ng 210042,Ch i na ;2.Instit ute o f N e w T echno logy of F orestry ,CAF,Be iji ng 100091,Ch i na)Abstrac t :It w as rev i ewed on t he progress i n natural vege tab l e fibres re i nforced epoxy resi n com posites a t ho m e and abro ad i n recent years ,wh i ch i nc l udi ng natural vege tab l e fibres and the mod ifi cation m ethods ,epoxy resin ma tr i xes and the character istics ,and t he processi ng m ethods o f co m po sites .K ey word s :natura l vege tab l e fi bre ;epoxy resi n ;co m posites由于化石资源的日趋短缺,人们在不断寻找新能源、新材料以替代煤炭和石油化工产品,以缓解或解决能源与资源危机。
玻璃纤维和碳纤维复合材料在给人类生活带来方便的同时,又给人类带来了资源短缺、回收利用及环境影响等新的问题。
利用生物质可再生资源开发环境友好绿色复合材料成为当前世界各国关注和研究的热点之一。
天然植物纤维增强环氧树脂复合材料是利用天然可再生植物纤维与环氧树脂基体复合而成的一种新型复合材料。
传统环氧树脂复合材料通常以无机粉体、碳纤维和玻璃纤维等为增强体,而天然植物纤维增强环氧树脂复合材料以天然植物纤维为增强体,这为环氧树脂复合材料的应用开辟了新的途径[1-2]。
天然植物纤维具有来源丰富、价格低廉、可再生、可降解等优点[3],但存在性能不均一、易吸湿以及与基体树脂相容性差等缺点,在环氧树脂复合材料中的应用受到制约。
通过物理、化学方法对天然植物纤维表面改性,可降低植物纤维的表面自由能,增强纤维与基体树脂的界面相容性,从而提高复合材料的综合性能[4]。
以天然植物纤维增强环氧树脂复合材料替代木材或玻璃纤维材料是目前天然植物纤维综合利用的主要途径之一[5]。
随着全降解基体高分子材料的不断研究开发,用天然植物纤维与全降解基体复合制成生物降解复合材料,如以纤维素、淀粉衍生物等天然多聚糖为原料制备可生物降解树脂,再与天然纤维复合制备性能优良的全降解复合材料,可应用于各种环保材料。
以天然植物纤维增强的高分子基复合材料将是21世纪环保时代的/绿色产品0,开发轻质、低54生物质化学工程第44卷成本、高性能的天然植物纤维环氧树脂复合材料具有广阔的发展前景。
开发天然植物纤维增强复合材料,将对天然植物资源高效综合利用、促进可持续绿色高新技术产业及新材料科学的发展有着极其重要的意义。
1天然植物纤维及其改性方法天然植物纤维是地球上储量最大的可再生生物质资源。
自然界每年通过光合作用生成的纤维素高达几十亿吨,以各种形式分布于植物体内[6]。
植物纤维根据其来源大致可分为韧皮纤维、茎秆纤维、叶纤维、种子纤维及其它纤维。
韧皮纤维主要为麻类纤维,例如:亚麻、黄麻、苎麻和大麻等;茎秆纤维主要包括木纤维、竹纤维和草茎纤维等;叶纤维主要以剑麻纤维为代表,还有香蕉纤维和棕榈纤维等;种子纤维最常见的为棉纤维。
天然植物纤维除含有主要成分纤维素外,还含有半纤维素、木质素、果胶、蛋白质和酶及钙矿物质等;其中半纤维素和木质素含量仅次于纤维素。
复合材料中增强体可以是微粒、晶须或连续纤维,在几乎所有需要高刚度、高强度和高疲劳阻抗工程材料中,复合材料的增强纤维通常是连续纤维而不是微粒或晶须[7]。
天然植物纤维作为增强体,其形式主要有纤维粉体、短切纤维、短切纤维毡和织造布等。
国内外曾被用于增强环氧树脂复合材料的增强体植物纤维有:A-纤维素纤维(A-cellu-l o se)[8]、微原纤化纤维素纤维(m icrofibrillated cell u l o se,简称M FC)[9]、亚麻(flax)[10]、黄麻(j u te)[11]、大麻(he m p)[12]、苎麻(ra m ie)[13]、剑麻(sisal)[14]、新西兰麻叶(phor m ium lea fe)[15]、佛焰苞纤维(spathe fi b er)[16]、茭白纤维(w ater ba m boo fi b er)[17]、棕榈叶纤维(pal m l e afe fi b er)[18]及香蕉纤维(banana fi b er)[19]等,其中研究较多的是麻类纤维、纤维素纤维和棕榈纤维。
近年来以改性纳米纤维素纤维[20-22]增强高分子基复合材料已成为新的研究热点,并具有广阔的应用前景。
纽约州立大学开发出一种木质纤维素增强的轻质复合塑料;W i n ter等报道,将纤维素纳米晶须添加到塑料中,可显著提高塑料的强度[23]。
天然植物纤维的主要成分为纤维素。
因纤维素分子链中每个葡萄糖基环上含有3个羟基:1个伯羟基和2个仲羟基,使得纤维素大分子链之间及其内部具有很强的氢键作用;另外,木质素化学结构中也含有大量的羟基等活性基团,从而使得植物纤维表现出较强的极性和亲水性。
从化学结构角度分析,天然植物纤维增强环氧树脂复合材料中增强体(天然植物纤维)与基体(环氧树脂)之间存在着一层组成及结构与增强体及基体均不相同的界面层。
界面层对复合材料的性能起着决定性的作用。
天然植物纤维具有较强的极性与吸湿性,与非极性环氧树脂基体缺乏良好的界面润湿性、相容性差,使得天然纤维与基体树脂间界面层的界面张力增加,从而出现复合材料中纤维剥落、材料多孔和易降解等现象,导致复合材料的性能劣化。
润湿性主要取决于环氧树脂的黏度和两种材料的界面张力。
环氧树脂的界面张力要尽量低,至少要低于纤维的界面张力。
几种改善纤维和环氧树脂表面张力的方法可以使纤维的表面张力最小值降到对环氧树脂(EP)为43@10-3N/m[24]。
通过物理或化学方法对天然植物纤维改性,可有效改善植物纤维与环氧树脂基体的界面相容性,提高复合材料的综合性能。
1.1物理改性物理改性方法是通过改变天然植物纤维的结构和表面性能来改善天然纤维与环氧树脂基体的界面物理黏合性能。
常见的方法有蒸气爆破处理、热处理和碱处理等。
1.1.1蒸气爆破处理[25]蒸气爆破技术主要是利用高温高压水蒸气处理天然植物纤维原料,并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化,是一种高效环保的纤维改性方法。
在蒸气爆破过程中,高压热蒸气进入纤维原料并渗入纤维内部的空隙。
由于水蒸气和热的联合作用产生纤维原料的类酸性降解以及热降解,低相对分子质量物质溶出,纤维聚合度下降。
纤维内部及周围热蒸气高速瞬间流动,使纤维发生一定程度上的机械断裂。
这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂、还原端基增加、纤维素内部氢键的破坏,还表现为无定形区的破坏和部分结晶区的破坏。
由于纤维素分子内氢键受到一定程度的破坏,纤维素链的可动性增加,有利于纤维素向有序结构变化。
吕秉峰等[26]采用蒸气闪爆技术改性处理天然植物纤维,对处理前后的纤维素进行了溶解度测试、第5期陈健,等:天然植物纤维增强环氧树脂复合材料研究进展55扫描电镜(SE M)及X射线衍射分析,结果表明蒸气爆破处理破坏了纤维素分子内氢键,使纤维素在一定温度下可直接完全溶解于特定浓度的N a OH水溶液中。
邵自强等[27]采用蒸气闪爆技术对天然纤维素改性,并利用改性后的纤维素与乙酸酐和脂肪酸合成长支链纤维素酯,处理后的纤维素葡萄糖环单元3个羟基的可及性及反应性能得到提高,同时反应周期也缩短。
1.1.2热处理天然植物纤维中含有游离水和结合水,游离水可以通过干燥除去,结合水则很难除去。
纤维素在加热作用下通常会发生一定程度的降解,其降解程度取决于加热温度、时间、纤维聚集态结构、聚合度及其分布和加热介质的组成。
在水和空气存在下,通常还发生水解和氧化作用。
不同的热处理条件对纤维素的结晶结构也有影响。
杨桂成等[28]对经热处理后的剑麻化学结构、聚集态结构和热行为变化的研究发现,在200e以下热处理的剑麻纤维的红外光谱基本不变,密度和结晶度提高。
剑麻纤维在空气中的热分解主要分为3个阶段:第1阶段为68e左右失重率约2%;第2阶段为302~334e 失重率约为20%和43%;第3阶段为478e失重率为91.8%。