天然纤维增强聚合物复合材料NFRPC在可持续工业中的应用研究

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前言

 

天然纤维增强聚合物复合材料(NFRPC)是由天然纤维和聚合物基体组成的复合材料,比传统的合成纤维增强聚合物复合材料更环保、更环保,因为它们利用可再生资源,一般具有较低的碳排放和能源消耗。

天然纤维增强聚合物复合材料领域的快速增长是减少聚合物复合材料结构中使用合成纤维作为增强材料和填充材料的最有前途的方法之一。

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天然纤维具有显着的优势,使其能够在现代工业应用中与传统玻璃纤维竞争。 与合成纤维增强复合材料相比,天然纤维增强复合材料具有多种优势,包括可重复性、对设备的低磨损、可生物降解性和可生物降解性。 可降解、比强度高、成本低、无腐蚀、无害、制造灵活。

选择天然纤维时,有必要分析其化学和物理特性以及它们与聚合物基体的相互作用。 有必要通过研究不同制备方法对NFRPC微观和宏观结构、力学性能、热性能和表面性能的影响来确定最佳方案。 准备。

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NFRPC 的特性、化学性质、可持续工业应用中使用的 NF 类型

植物光合作用在生物圈中产生1000亿吨纤维素,成为地球上最大的有机碳储备。 源自纤维素的天然纤维(NF)可根据生产中使用的植物种类和组织分为几类,例如韧皮、叶子、种子、果实和茎。

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源自农业废物的生物质,如油棕叶、空果串 (EFB)、椰子壳、稻草、壳、糖棕榈、水葫芦和甘蔗渣 [被归类为天然植物纤维]。

棉花、苎麻、亚麻、竹子、洋麻、黄麻、蕉麻、剑麻和大麻都属于此类纤维作物。 一般来说,植物纤维由木质纤维素聚合物中的纤维素、半纤维素和半纤维素组成。 木质素的组成。

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即使来自同一植物,天然纤维的特性也会受到多种因素的影响,包括物理特性、化学成分、结晶纤维素尺寸、微纤丝角度、缺陷、结构和分离技术。

为了实现最佳性能,必须考虑几个因素。 在决定天然纤维增强聚合物复合材料(NFRPC)机械性能方面起关键作用的因素包括:结构、物理性能、微纤维角度、缺陷、化学性能、泡孔尺寸和纤维-基体相互作用、杂质、吸湿性、取向、体积分数和物理性质,它们是纤维的固有性质。

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这些纤维具有低密度、良好的机械性能、可回收质量和高强度等特性,使其成为 FRPC 增强材料的理想选择。

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以混合糖棕榈/苎麻纤维增强环氧复合材料的机械性能为例,苎麻纤维具有一定的环保优势,比合成纤维更加环保,因此苎麻被认为是一种环境友好的纤维资源,例如,它可以提供健康的好处,同时在整个制造过程中释放更少的碳。

尽管合成纤维在复合材料中具有最大的强度,但它们存在可回收性问题,因此,NF 通常被认为是合成纤维的合适替代品,以克服这些问题。

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木质纤维素纤维因其丰富、成本低且环境友好而成为增强材料中最有用的纳米纤维之一。 同时,各种表面功能化方法提高了Grewia optiva纤维的机械性能、热性能、耐化学性和吸水性。 和吸湿作用。

与传统合成材料相比,纳米纤维具有易获得、环境友好、密度低等优点,正在迅速成为复合材料和污染水净化领域可行的增强材料之一。

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汽车应用三种不同复合材料部件的生命周期能耗和温室气体(GHG)排放,即3公斤30%玻璃纤维复合材料部件、30%纤维素纤维复合材料部件和40%红麻纤维复合材料部件。

研究发现,考虑到三种主要的报废处理方法,即垃圾填埋、焚烧以及能源回收和循环利用,NFRPC的环境效益主要是由于比玻璃纤维复合材料更轻,从而提高了车辆的能源效率。

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NFRPC的准备及工艺流程

用于开发复合材料的加工条件(例如温度、固化时间、压力和制造技术)对于获得具有良好机械性能的NFRPC至关重要,如果在制造过程中引入任何异物,则会生产出性能较差的复合材料。 材料。

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因此,加工技术对零件所需的特性和特性有重大影响,手糊、树脂传递模塑、热压、压缩成型、注射成型、挤出等加工技术的研究非常重要。

选择手糊技术是因为它具有众多优点,包括易于使用和制造过程成本低。 将脱模蜡涂在玻璃模具的表面,然后将各层和各种纤维按照所需的堆叠顺序一层一层地定向。

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为了实现采用树脂传递模塑(RTM)和模压纤维生产技术相结合生产棕榈和桉树纤维增强环氧树脂复合材料的目标,树脂和固化剂以100/34(w/w)的比例混合。 优选按比例混合。 在 RTM 系统中,干燥纤维板放置在气密模具之间,树脂/硬化剂混合物从一侧注入。

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同时,在板的另一侧施加真空,以确保树脂/硬化剂混合物均匀分布,不存在气泡。 树脂和硬化剂/纤维的混合比分别为13/7(w/w)。 注射完成后,模具通过筒式加热器加热完成固化过程,并在2℃下固化100小时。

采用聚丙烯(PP)薄膜作为载体,包裹长度约120毫米的长竹纤维。 将含有竹纤维的PP卷材送入双转子进行复合,然后将挤出的混合物热压成板材。

结果表明,棱角光滑、棱数较少的转子减少了LBF的损伤。 当LBF含量设置为40%时,可以实现PP基体中最佳的LBF分布和取向。 同时测定纤维尺寸,验证复合效果。

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重点是利用竹纤维素制备先进纺织材料和过滤膜材料,并利用离子液体功能改性方法对竹纤维素材料进行改性。

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此外,还研究了纤维形态,包括纤维长度、细胞壁厚度及其衍生物,并对竹子样品进行了化学分析。

结果表明,毛竹(Phyllostachys edulis)作为可再生生物质,具有机械强度高、各向异性和精细的多尺度分级结构,可用于制备先进纤维材料和过滤膜材料。

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物理处理——电晕、等离子、过热蒸汽

通常,增强聚合物复合材料的生产需要物理加工来决定其结构的功能。 物理加工有两个主要功能:将天然纤维束分离成单根长丝,以及对纤维进行改性以用于复合材料应用。 对于第一个功能,使用了两个阶段,前阶段和当前阶段,前阶段包括化学机械、水浸渍和露延迟等方法,但这些方法产生了不可接受的浪费。

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因此,采用物理分离工艺,如汽爆工艺和热机械工艺,以达到相同的分离效果,可将木质纤维素材料分离为其主要成分,即纤维素纤维、无定形木质素和半纤维素白。 假设单根纤维比纤维束具有更大的强度和刚度,则可以提高表面疏水性和基质能力。

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物理处理的第二个功能——纤维改性,可分为热和非热两个阶段。 在热处理中,通过等离子处理使纤维表面粗糙化,从而扩大接触面积,增加摩擦力,从而提高纤维与聚合物之间的粘合性能。

该方法可分为真空法和常压法两种。 前者需要在低真空压力下加工,而后者常用于原位加工零件。 采用真空或常压等离子体预处理技术可以促进偶联剂的作用并产生更好的粘合性能。

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纤维加工机理

天然纤维具有高吸湿性和有限的热稳定性,可用温度通常高达 230°C,这是生物纤维增强聚合物基体应用中的主要缺点。

为此,在生物纤维增强聚合物基质的生产中采用物理和化学处理来扩大其工业应用。 常用的物理处理有电晕处理、等离子处理、丝光处理和热处理等。

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这些物理处理可用于改性表面并增加纤维和基体之间的机械结合,而无需广泛改变纤维的化学成分并清洁它们,因为不涉及化学物质。

其中,电晕处理是最好的一种,因为它在表面改性方面比其他处理方法具有许多优点,并且易于修改所使用的仪器,从而可以在工业中实现连续处理。

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综上所述

NFRPC可以利用循环经济理念创造环保产品和技术,解决不可再生材料带来的问题。 凭借其长期的可行性,它可以实现广泛的新工业应用。 此外,本次回顾还包括NFRPC在加工技术方面的应用、修改、加工、应用以及与工业4.0路线图相关的广泛研究。

可持续发展的主要概念基于三个主要相互关联的核心:环境、社会和经济领域。 行业对环保材料的需求导致了 NFRPC 应用的显着进步。 未来需要研究NFRPC更多潜在应用。

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参考

【1】Mokhothu《纤维素纤维及其生物复合材料吸湿老化研究进展》

【2】Dufresne“纤维素基生物纳米复合材料”

【3】Wambua《纤维素纤维:生物和纳米聚合物复合材料》

【4】Sanjay《天然纤维高分子复合材料的表征与性能》

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