天然纤维增强热塑性复合材料
天然纤维增强复合材料的性能及其应用_邹君
!
前
言
的热点之一。本文就天然纤维增强复合材料 的一些性能及应用进行探讨。
纤维增强复合材料作为材料科学的一 个重要分支， 以其优异的性能取得了飞速发 展， 并且在社会各领域得到了越来越多的应 用。传统的纤维增强复合材料是由玻璃纤 维、 芳香族聚酰胺纤维或碳纤维等人造合成 纤维组成的，它们一般都存在着耗能大、 造 价高、 易造成环境污染等问题。与玻璃纤维 及碳纤维相比， 各种天然纤维（ 如麻纤维、 竹 纤维、 甘蔗渣纤维等） 具有价廉、 可回收、 可 降解、 可再生等优点， 其复合材料的研究与 开发应用， 近年来成为人们对材料研究开发 麻、 竹等含纤维素的天然植物具有质轻、 廉价易得的特点， 其化学组成以纤维素为主， 其次是半纤维素、 木质素、 甲胶等， 植物纤维 本身就是天然的复合材料。各种纤维具有各 自的性能优势，如麻的纤维长度是天然纤维 中最长的， 具有高强低伸的特性， 适合做复合 材料增强剂。麻类纤维的物理性能如表#$#%所 示。
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广西化纤通讯
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从表 # 中可知，虽然麻纤维的拉伸强度 和模量都比玻璃纤维低， 但是苎麻纤维的比 强度与玻璃纤维接近， 所以天然纤维完全可 以替代玻璃纤维， 作为制备环保型复合材料 的理想增强材料， 将之用来增强可降解塑料 基体， 制备可完全降解的环保型复合材料。 由于天然纤维的不均匀性和纤维与疏 水聚合物基体的不相容性， 对其在复合材料 中的增强作用还需进行更深入的研究。天然 纤维的不均匀性在于它在植物中的部位、 植 物生长地域和生长条件的不同而引起的组 成和结构差异。纤维素大分子的重复单元中 每一基环含有 $个羟基（ ， 这些羟基在分 %&’） 子内或分子间形成氢键， 并使植物纤维具有 纤维素的亲水 亲水性， 含湿率达 () —#!*+)。 性也是导致其在增强复合材料应用局限性 的一个重要原因。复合材料的性能取决于组 分的性能和组分间的界面相容性。纤维素类 聚合物中的羟基可与基体聚合物之间形成 强烈的分子间氢键、共价键或其它化学键， 但是纤维素中未反应羟基的吸湿性会引起 基体聚合物与纤维之间的粘附性变差， 这样 就使纤维素增强材料在使用过程中随时间 推移而解除键合。缺乏良好的界面粘合性所 导致的恶果是界面张力的增加， 材料多孔性 和环境降解的出现 。一般可通过对纤维进
SABIC推出天然纤维增强热塑性材料
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（ 以（产 以生生产同同样样的的最最大大弯 弯距矩对对比比））
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SABIC 推 出 天 然 纤 维 增 强 热 塑 性 材 料
SABIC 创 新塑料公司最近已推出一 种聚酰胺 6 热塑性 复合材料 LNP Thermocomp
PX07444，它用 20%的 curauá纤维增强。据 SABIC 称，curauá纤维具有环保优势，可再生，
属于生物降解材料，比生产玻纤需更少能量。此外，SABIC 坚称该纤维比玻纤轻，摩擦性
● 三点弯曲和四点弯曲
◆ （1得）到得同 到同样样的的弯弯曲曲应应力力，，四四点 点 弯弯曲曲有有大大一一倍倍 的的 剪应剪力应，力剪，应剪力 影应响力更影大响；更大；
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该纤维与其它天然纤维（如剑麻、黄麻和亚麻）相比，有更高的力学强度。采用聚酰胺
6 和 curauá纤维制成的复合材料具有和矿物填充复合材料相似的力学性能，与玻纤增强复合
天然纤维复合材料
天然纤维复合材料天然纤维复合材料是一种由天然纤维和树脂等多种材料组合而成的新型复合材料，具有轻质、高强度、环保等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑材料等领域。
本文将从天然纤维复合材料的定义、分类、制备工艺以及应用领域等方面进行详细介绍。
天然纤维复合材料是以天然植物纤维为增强材料，再通过树脂等粘结剂将其粘结在一起形成的复合材料。
根据不同的增强材料种类，可以将天然纤维复合材料分为木质纤维复合材料、竹质纤维复合材料和棉麻纤维复合材料等多种类型。
这些复合材料不仅具有天然纤维的优良性能，还能通过树脂的增强作用，提高其整体性能，广泛应用于各种领域。
制备天然纤维复合材料的工艺主要包括原料处理、纤维预处理、树脂浸渍、成型和固化等多个步骤。
首先，需要对天然纤维进行预处理，包括去除杂质、调节含水率等。
然后将处理好的纤维与树脂进行混合，并通过浸渍等方式使得树脂充分渗透到纤维中。
最后，将混合好的材料进行成型，通过加热或固化剂等手段使其固化成型。
这样制备出的天然纤维复合材料具有良好的力学性能和稳定的化学性能。
天然纤维复合材料在航空航天、汽车制造、建筑材料等领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，天然纤维复合材料因其轻质高强的特性，被用于制造飞机的舱壁、内饰等部件，能够有效减轻飞机重量，提高燃油效率。
在汽车制造领域，天然纤维复合材料被应用于汽车内饰、车身结构等部位，能够提高汽车的安全性和舒适性。
在建筑材料领域，天然纤维复合材料被用于制造环保型的建筑材料，具有良好的隔热、隔音效果，符合现代建筑的环保理念。
综上所述，天然纤维复合材料作为一种新型的复合材料，具有广阔的应用前景。
随着科技的不断进步和人们对环保材料的需求增加，天然纤维复合材料必将在未来得到更广泛的应用和发展。
相信在不久的将来，天然纤维复合材料将成为各个领域中不可或缺的一部分，为人类社会的发展做出更大的贡献。
天然纤维增强聚合物基复合材料
天然纤维增强聚合物基复合材料
天然纤维增强聚合物基复合材料，是一种结合了天然纤维和聚合物基质的新型
材料。
在复合材料领域，天然纤维作为增强材料的应用已经得到广泛关注，其在提高材料性能、减轻重量、降低成本等方面发挥着重要作用。
天然纤维作为增强材料具有许多优点。
首先，天然纤维来源广泛，如木质纤维、植物纤维、动物纤维等，且具有较高的强度和模量。
其次，天然纤维具有低密度、易加工、可降解的特性，符合现代工业对可持续发展和环保的要求。
另外，天然纤维在复合材料中的表现良好，能够有效增强材料的抗拉强度、耐冲击性和耐磨性。
在天然纤维增强聚合物基复合材料的制备过程中，选择合适的天然纤维材料和
聚合物基质是关键。
不同种类的天然纤维具有不同的特性，可以根据复合材料的具体应用需求选择合适的增强材料。
同时，通过调控纤维的取向、含量和界面改性等方式，可以进一步改善复合材料的性能。
对于聚合物基质的选择和制备也至关重要，需要考虑到与天然纤维的相容性、成本、加工性等因素。
天然纤维增强聚合物基复合材料在诸多领域有着广阔的应用前景。
在汽车工业中，天然纤维复合材料可以替代部分金属材料，降低车身重量，提高燃油经济性；在建筑领域，天然纤维复合材料具有良好的吸声、隔热性能，可以应用于建筑材料制备；在航空航天领域，天然纤维复合材料因其优越的比强度和比刚度，被广泛应用于飞机结构件制备。
总的来说，天然纤维增强聚合物基复合材料作为一种新型的绿色材料，具有广
阔的应用前景和经济效益。
随着技术的不断进步和研究的深入，相信这种材料将在未来得到更广泛的应用，为推动可持续发展和环保产业做出贡献。
高性能天然纤维增强复合材料制备
高性能天然纤维增强复合材料制备天然纤维为一类具有可再生性和环境友好特性的材料，其具有较低的密度、良好的机械性能和优异的阻尼性能，因此被广泛应用于纺织、建筑、航空航天等领域。
而天然纤维增强复合材料则是将这些天然纤维与基体材料结合，以提高材料的性能和功能。
本文将详细介绍高性能天然纤维增强复合材料的制备过程。
首先，选择合适的天然纤维是制备高性能天然纤维增强复合材料的关键。
常用的天然纤维包括木质纤维、竹纤维、麻纤维等。
在选择时要考虑纤维的机械性能、化学性质、可再生性以及成本等因素。
其中竹纤维因其高强度和优异的力学性能，在天然纤维增强复合材料中得到广泛应用。
其次，天然纤维的处理是提高复合材料性能的重要步骤。
在天然纤维的制备过程中，首先需要去除纤维表面的杂质和非纤维物质。
这可以通过浸泡、洗涤、分离等方法实现。
其次，对纤维进行强化处理，可以通过热处理或化学处理等方法增加纤维的强度和刚度。
最后，纤维的尺寸分布和长度也需要控制在合适的范围内，以提高复合材料的均匀性和强度。
接下来是复合材料的制备过程。
首先是制备基体材料。
基体材料可以选择合适的树脂，如环氧树脂、聚丙烯等。
在制备过程中，要确保树脂的质量，避免杂质的混入。
其次，将预处理过的天然纤维与基体材料进行混合。
这一步骤需要注意混合的均匀性和纤维的分散。
最后，将混合物进行成型。
常用的成型方法包括压制、注塑、层积等。
在成型过程中，要保证材料的均匀性、致密性和成型的精度。
制备完成后，对复合材料进行后处理是必要的。
首先是热固化过程。
对于树脂型复合材料，需要进行热固化反应，以提高材料的强度和热稳定性。
其次是表面处理。
通过涂覆、抛光等方法，可以改善复合材料表面的光洁度和外观，提高材料的耐腐蚀性和表面硬度。
最后是机械加工。
复合材料可以通过钻孔、铣削、切割等方法进行机械加工，以满足不同应用领域的需求。
在高性能天然纤维增强复合材料制备的过程中，还需注意相关的环境保护和安全问题。
首先，要合理利用天然纤维资源，避免过度采集和浪费。
天然纤维增强复合材料的应用及发展前景
天然纤维增强复合材料的应用及发展前景文 | 郭耀伟 蔡 明Application and Development Prospect of Natural Fiber ReinforcedPlasticsAbstract: Natural fiber reinforced plastics (NFRP) is a new type of material that uses natural fibers and a thermoplastic resin matrix or a thermosetting resin matrix to compound. Natural fibers have a unique position in the field of composite materials for their advantages, including low density, good specific modulus performance, good sound insulation effect, recyclability and low price. Therefore, the use of natural fibers as reinforcing materials to prepare composite materials, that is, the sustainability of composite materials, has become one of the development directions of composites science and technology. At present, green composites reinforced by natural fibers have been applied in many industries, including automotive, construction, aviation, rail transit, and sporting goods.Key words: natural fiber; composites; chemical composition; mechanical performance; design method摘要：天然纤维复合材料（NFRP ）是利用天然纤维与热塑性树脂基体或热固性树脂基体复合而成的一种新型材料。
(整理)天然纤维复合材料的应用与发展.
天然纤维复合材料的应用与发展现在，复合材料已成为材料领域中的佼佼者，高性能的天然纤维复合材料更是扮演着越来越重要的角色，它的开发与应用及发展已成为全球研究的热点。
究其原因，是因为天然纤维复合材料具有许多突出的优点，来源丰富、价格低廉、可再生、可降解、高比性能等。
天然纤维复合材料的优点：⑴出色的物理性能：特有的力学性能、良好的热性能、隔音绝缘、低密度、降低工具磨损、优异的成型性以及安全的碰撞表现（无裂缝）⑵无毒、环保，有助于工作环境更健康、更安全。
⑶低成本，容易获得。
⑷因为可与玻璃纤维采用相同的工艺、工具、员工、设备、控制装置和技术，因而可实现简单的替代。
（二）分布地区：生产天然纤维的主要地理区域分布在欧洲、非洲、北美、南美、亚洲、太平洋西南岸等，这些增强材料的主要制造商都在发展中国家，成本较低。
天然纤维复合材料是利用天然纤维与热塑性树脂基体或热固性树脂基体复合而成的一种新型材料，与玻璃纤维增强复合材料相比，具有密度低、隔音效果好、比性能高、可回收、人体亲和性好等优点。
广泛应用于汽车工业、建筑工业、日用消费品等领域。
天然纤维复合材料在几千年前就有应用。
我国在2000年前，就出现了用麻丝和大漆构成的漆器，且流传至今。
利用天然纤维、天然或合成树脂进行复合的研究与开发具有较长的历史。
20世纪90年代以后，随着“生态意识”的觉醒，人们对环境保护、卫生健康越来越重视，天然纤维如麻、竹、木材、稻草、麦秸、椰壳纤维等，因其具有质轻，价廉，易得，可生物降解。
对环境无污染等特点引起人们开发应用的兴趣。
天然纤维复合材料的研究成了复合材料研究的热点之一。
天然纤维复合材料的应用领域非常广泛，如建筑用膜材，汽车及装饰用材料，包装用材料与家具等其他方面的用材。
奔驰公司称，将天然纤维复合材料应用于汽车上，可减重10%。
制造同类产品可节能80%，价格比玻璃纤维增强材料降低5%，亚麻，剑麻，椰壳纤维，棉花和大麻已用于制作装潢材料、门板、书架等。
麻纤维增强热塑性复合材料及其开发应用
８ ２
麻 纤 维 增 强 热 塑性 复合 材 料 及 其 开发 应 用
２１ ０ ０年 ５月
１ ２ ２ 力学性 能 ．．
是 热塑性 复合 材 料 的主 要工 艺 参 数 。其 中 ， 合物 聚 的熔融 黏度是 最 为重 要 的成 型 工艺 参 数 ， 决 定着 它 成 型工艺 状态 和产 品 性 能 。若 树 脂 熔 融 黏度 过 低 ， 树脂 基体 的过 渡 流 动将 导 致 不 能很 好 的覆盖 纤 维 ， 树脂 含量 过低 ， 响复合 材料 的性能 ； 影 若树 脂熔 融黏
关键 词 ：天 然 纤 维 ；亚麻 ；大麻 ；黄 麻 ； 热 塑 ；复合 材 料 ；应 用 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ２ Ｂ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ ０ ９ （０ ０ ０ ０ ８ ０ ０ ３— ９ ９ ２ １ ）３— ０ １— ４
目前 ， 环境 材 料 已成 为新 材 料 领 域 中 的一 个 新 的研 究方 向。在环 境 材 料 中 ， 然 纤 维 扮 演着 越 来 天
加 了其 附加 值 ， 广 了麻产 业在 世界 范 围 内的发展 。 推
图 １ 亚 麻 纤 维 的 Ｓ Ｍ 截 面 图 Ｅ
收 期： ０９ ５ ６ 稿日 ２０￣ － ２
作者简介 ：张璐 （ ９０ ） １８ ． ，女 ，在读博士 ，讲师 ，主要从事复合材料方面的研 究。
｝ ／ Ｍ ２ １ 。 ３ 旺’Ｃ ０ＯＮ
已得 到复合材 料 工 业 界 的 广泛 关 注 … 。 因此 ， 究 研 天 然纤 维热 塑性 复合材 料 的开发 及应 用成 为 了必然
的趋 势 。 １２ 麻 纤维 的特 性 ．
１２ １ 化学 组成 与结构 ．． 麻 纤维 分为 细 胞 壁 和 细胞 腔 ， 胞 壁 主 要 由纤 细
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45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00
0 10
Tensile strength(Mpa)
without treatment with treatment
20 30 Fiber content/%
40
不经处理，仅填充，不增强
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10～20 MPa。 （6）更大的制品设计自由度。
11000
80
Lennart Salmén. C. R. Biologies 327 (2004) 873–880 A.N. Nakagaito, H. Yano. Appl. Phys. A 80 (2005) 155–159
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）
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 。
华东理工大学 LFT在线混合生产线
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。
理论值 实际值 287-1035 (2.87%10.35%) 2000-3500 (18.231.8%)
拉伸模量/Gpa
理论值 134 (cellulose) 实际值 5.5-27.6 (4.10%20.6%) 70 (87.5%)
10000 Natural Fiber (cellulose)
E-glass
卡车侧护板： 天然纤维/云母增强聚丙烯
备胎架（Spare Wheel Cover）
重量对比
谢 谢！
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
纤维含量30%复合材料冲击性能
80 70
Impact strength(J/m)
60 50 40 30 20 10 0 PP MAPP PP-g-GMA KH550 Compatibilizer type
冲击强度比加入MAPP提高约50.7％
Tensile strength(MPa)
A
F
B
C
D
E
D 强度和模量分 modulus(MPa)
改善复合材料性能的途径（2）
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-AA PP-g-Si
表面改性
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。
内部改性前后单纤维性能的测定
Method Tensile Strength (MPa) Tensile Modulus (MPa) 9909
without treatment 327
Ford Focus
天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较
表 2 天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较 制品 汽车面板 传统复合材料 质量/G 天然纤维复合材料 质量/G 减轻质量/％ ABS 1125 3500 15000 15600 4500 4500 14000 14000 大麻/EP 大麻/PP 苎麻/PP —— —— —— —— —— 820 2600 11770 10200 2600 2700 7300 7500 27 26 22 34.6 42.2 40.0 47.9 46.4
规模：
建成150吨/年的中试生产线一条，在2005.12投入生产。
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
天然纤维复合材料 ——应用
汽车隔热板 玻璃纤维/PP 托盘 发动机罩盖 左挡泥板 右挡泥板 左侧车门 右侧车门 玻璃纤维/PP —— —— —— —— ——
与玻璃纤维、碳纤维性能比较
纤维种类 密度 （g/cm3） 1.5 1.3 1.5 1.5-1.6 2.5 伸长率 （%） 2.0-2.5 1.5-1.8 2.7-3.2 7.0-8.0 2.5 拉伸强度 （Mpa） 511-635 393-773 345-1035 287-597 2000-3500 拉伸模量 （Gpa） 9.4-22.0 26.5 27.6 5.5-12.6 70
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
天然纤维复合材料在汽车上的主要应用
表 1 天然纤维复合材料在汽车上的主要应用 产品 黄麻/聚丙烯 主要用途 轿车内饰件，吸噪声 板，备用轮罩，提高 NVH①指标等 轿车内饰件，车门内 剑麻/聚氨酯泡沫 饰板，吸噪声板，提 高 NVH①指标等 汽车装饰部件，如车 洋麻/聚丙烯 亚麻、剑麻毡/环氧 亚麻/聚丙烯 洋麻、大麻/聚丙烯 亚麻、剑麻/聚丙烯 洋麻、大麻/聚丙烯 大麻/聚丙烯 门面板、 座椅、 靠板、 Volvo， Saab， Renault， Ford 顶棚、行李盘 车门面板、车内部件 冷却器架、引擎挡板 车门面板、内饰件 座椅后背、车门面板 车门面板 发动机护罩 Mercedes-Benz E Ford SAAB 9S Mercedes M，Ford，GM Ford Mondeo Audi，Toyota，Rover Mercedes，Benz，Ford 部分应用
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）
相对密度 玻纤含量（％） 面密度（g/m2） 拉伸强度（MPa） 拉伸模量（MPa） 弯曲强度（MPa） 弯曲模量（MPa） 2.0 0.5 50 1000 11.81 1452 20.87 1361 230 3.0 0.33 50 1000 7.30 914 16.44 932 216 4.0 0.25 50 1000 3.01 232 3.34 187 91
先进复合材料、钢和铝在车身 减重方面的对比
材料类型 高强度钢 铝 先进复合材料 减重百分比 25－35％ 40－55％ 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。
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4000～5500 g/m2） 体密度0.3～0.8kg/cm3 (传统片材1.1～1.3 kg/cm3 ）
Sisal Jute Flax Cotton E-glass
Carbon
1.4
1.4-1.8
4000
230.0-240.0
A.K. Bledzki, J. Gassan.
Prog. Polym. Sci. 1999( 24 ) ：221–274
天然纤维改性的潜力，源头控制（生物矿化）
材料
拉伸强度/Mpa
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
Tensile Tensile Flexural Flexural Impact Strength(MPa) Modulus(MPa) Strength(MPa) Modulus(MPa) Strength(J/m) WT TEOS(m) CaSiO3(m) Mica Talc wollastonite 28.58 42.61 41.43 42.21 41.68 42.77 3927 4869 4608 4079 4022 4065 44.83 55.99 60.75 58.45 58.14 57.48 2543 3399 3003 2709 2876 2683 61.8 45.5 31.6 31.9 37.5 37.4
缺口冲击强度（J/m ）
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