塑料工程师学会北京分会
天然纤维是能在相对较短时间形成的可持续资源。与碳纤维、玻璃纤维及其他人造纤维相比，天然纤维可以为高分子复合材料的生产提供无限资源。以前许多研究集中于天然纤维潜在的增强作用。天然纤维的低密度意味着这种增强复合材料的特点便是轻质量和优异性能。天然纤维的单独使用一般不足以满足纤维增强复合材料的技术要求，合成纤维与天然纤维的结合使用才能提供一个更加优化的、经济和环境更加友好的解决方案。
复合材料的纤维增强多应用于需要减少成本的领域，例如消费品，汽车行业，以及低成本住房。到目前为止，各种天然纤维已被开发使用（例如从以下植物中获取的纤维：椰子，剑麻，黄麻，苎麻韧皮，菠萝叶，洋麻韧皮，马尼拉麻片，蒲式耳，枣椰子，竹子，棕榈，香蕉，大麻，亚麻，稻壳纤维，和棉）。在这些应用中，这些纤维被用于替代钢或合成纤维的复合增强件。
在这项工作中，我们的目的是研究一种新型夹层结构的的机械性能。我们以椰壳纤维毡为核心，外面包覆编织玻璃纤维粗纱皮。我们比较了椰壳纤维/聚酯复合材料和椰壳玻璃纤维/聚酯复合材料来确定的最终复合结构的机械性能的改善。研究结果因此可以用来确定椰壳玻璃纤维/聚酯夹层复合结构可能的用途。
椰壳是一种木质纤维，目前在农业和园艺领域应用广泛。它是从热带地区的椰子果皮（外层）中得到的。关于椰壳纤维的复合材料增强的原因有几种解释，这是我们研究的重点。例如，椰壳纤维具有高的耐候性，与其他天然纤维相比具有高木质素含量。事实上，在所有的天然纤维中，椰壳纤维的特征在于特别高的木素含量（40-45wt％）和非常低的纤维素含量（32-43wt％），这就会引起吸水性达到最小水平。椰壳纤维通常长10-30cm，因此具有高的长径比。此外，微纤维45℃的螺旋结构意味着椰壳纤维可拉伸至超过其弹性极限而不破裂。
对于我们的夹层复合材料（参见图1），我们使用非编织椰壳纤维毡作为芯材。我们使用真空辅助树脂转移模制技术制造这些毡子。为了评估我们的椰壳纤维/聚酯和椰壳玻纤/聚酯复合材料的机械和物理性能，我们测量了增强剂含量、树脂含量、面密度和厚度。物理性能测试的结果显示，相比椰壳纤维/聚酯复合材料，椰壳玻纤/聚酯夹层结构通常具有较低的厚度膨胀率、吸水率以及含水量（参见图2）。在我们的机械试验中，我们测量了每种样品的抗拉强度、开孔拉伸强度及抗弯强度。我们发现，相比椰壳纤维/聚酯复合材料的拉伸强度（8MPa），椰壳玻纤/聚酯夹层结构具有明显更大的拉伸强度（70MPa）。
图1 复合样品不同方面的图示。 （A）夹层结构作为芯材的非编织棕垫照片。 （B）作为复合材料包覆层的编织玻璃纤维粗纱皮照片。 （C）在本研究中使用的不同椰壳纤维和玻璃纤维夹层结构的示意图。每个样品通过一个缩写表示它的组成部分。 （D）真空辅助树脂传递模塑成型过程中，椰壳纤维和玻璃纤维织物的照片。 （E）在该技术中所使用的流动介质。
图2 椰壳纤维增强夹层复合材料的吸收性能和力学性能。（a）开孔与不开孔样品的拉伸模量。（b）厚度膨胀率。（c）2，24，48，和96小时后的水吸收量。
在我们的实验中，我们还发现，引入玻璃纤维作为包覆层的椰壳纤维/聚酯复合材料显著提高了其物理和机械性能。例如，96小时后，样品的厚度膨胀率从13.3%减少到1.85%。加入编织玻璃纤维后，吸水率及水分含量也相应减少。与此相反的是，拉伸强度、拉伸模量和合材料的弯曲强度都显著增加。我们测量到拉伸强度增加了4.2-69.2MPa，拉伸模量增加了2-6 GPA，抗弯强度增加了31.8Gpa-131.5MPa，参见图2（a）。我们可以用“工”形梁的概念解释抗弯强度的提高。在“工”型梁承受挠曲载荷时，凸缘受压缩和张力，这类似于包覆层中的复合材料，而芯材承载剪切应力，并导致弯曲刚度的提高。
总之，我们已经使用天然椰壳纤维作为一种新颖的聚合物增强材料。我们还研究了椰壳纤维/聚酯和椰壳玻纤/聚酯复合结构的机械和物理性能。我们的结果表明，相比椰壳纤维/聚酯样品，椰壳玻纤/聚酯样品具有更高的拉伸强度。此外，我们发现，这两个复合结构的特性可以通过编织玻璃纤维的包覆大大改善。这些足以说明我们的新颖的复合材料适合应用于许多不同的领域（例如建筑、汽车和家具行业）。在我们今后的工作中，我们计划增加天然纤维含量，并使用天然树脂做基体复合材料，同样用椰壳纤维作为增强剂，探索性能更加优异的复合材料。
聚砜医疗干粉吸入...
塑料包装材料的减...
汽车功能键触摸盖I...
高性能注塑聚丙烯...
