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1、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的高性能化及其应用戴干策戴干策 李李 宾宾 孙占英孙占英华东理工大学华东理工大学华东理工大学华东理工大学 化学工程联合国家重点实验室化学工程联合国家重点实验室化学工程联合国家重点实验室化学工程联合国家重点实验室聚合物加工研究室（聚合物加工研究室（聚合物加工研究室（聚合物加工研究室（200237200237）2009.11.202009.11.20l 背背 景景l 应应 用用l 开开 发发l 展展 望望l 节能节能/减排减排 汽车工业可持续发展的必由之路汽车工业可持续发展的必由之路l 强化、拓展复合材料应用强化、拓展复合材料应
2、用 汽车节能汽车节能/减排的首选措施减排的首选措施先进复合材料、钢和铝在车身先进复合材料、钢和铝在车身 减重方面的对比减重方面的对比材料类型材料类型减重百分比减重百分比高强度钢高强度钢2535铝铝4055先进复合材料先进复合材料5067不同材质的汽车零部件在制造中耗能不同，以生产质量相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（同（450克）的零部件为例，采用塑料或复合材料所耗能源克）的零部件为例，采用塑料或复合材料所耗能源折合汽油折合汽油3.84.5Kg，若采用铝或钢，所耗能源折合汽油，若采用铝或钢，所耗能源折合汽油5.66.8Kg。此外，塑料模具费用是钢制件模具费用的此外，塑料模
3、具费用是钢制件模具费用的1020。提高。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。周期短。模块化效益模块化效益序号序号类别类别效益（）效益（）1性能性能+232每辆汽车系统成本每辆汽车系统成本-143每辆汽车系统重量每辆汽车系统重量-224每辆汽车部件数量每辆汽车部件数量-225紧固件、附件数量紧固件、附件数量-276安装工序安装工序-9个工作台和个工作台和15个工作区个工作区 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。供了前提条件。GMT、LFT、NMT是其中最杰出的
4、是其中最杰出的代表。代表。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 Natural Fiber Reinforced Thermoplastics Natural Fiber Reinforced Thermoplastics基体相：热塑性通用树脂（基体相：热塑性通用树脂（基体相：热塑性通用树脂（基体相：热塑性通用树脂（PPPP、PEPE、PVCPVC等）等）等）等）增强相：天然的植物纤维（剑麻、黄麻等）增强相：天然的植物纤维（剑麻、黄麻等）增强相：天然的植物纤维（剑麻、黄麻等）增强相：天然的植物纤维（剑麻、黄麻等）纤维形式：短纤维、纤维毡纤维形式：短纤维、纤维毡纤维形式：短纤维、
5、纤维毡纤维形式：短纤维、纤维毡典型代表产品：典型代表产品：典型代表产品：典型代表产品：短纤维增强材料短纤维增强材料短纤维增强材料短纤维增强材料SNRTSNRT（Short Natural Short Natural Fiber Reinforced Thermoplastics Fiber Reinforced Thermoplastics）纤维毡增强材料纤维毡增强材料纤维毡增强材料纤维毡增强材料NMTNMT（Natural Fiber Natural Fiber Mat Reinforced Thermoplastics Mat Reinforced Thermoplastics）天然纤维的
6、特点天然纤维的特点l优点：密度小优点：密度小，价格低，价格低，环境友好，可自，环境友好，可自然降解然降解，对身体无刺激，对身体无刺激，对加工设备磨损，对加工设备磨损小。小。l缺点：生物物质，多孔性结构，性能分散性缺点：生物物质，多孔性结构，性能分散性大，易受潮，对热较敏感大，易受潮，对热较敏感，与基体相容性，与基体相容性较差。较差。天然纤维复合材料在西欧天然纤维复合材料在西欧汽车工业中的应用及发展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天然纤维复合材料在汽车上的主要应用天然纤维复合材料在汽车上的主要应用天然纤维复合材料在汽车上的主要应用 天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较天
7、然纤维复合材料与传统材料制品质量比较天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较 纤维种类纤维种类纤维种类纤维种类密度密度密度密度（g/cmg/cm3 3）伸长率伸长率伸长率伸长率（%）拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度（MpaMpa）拉伸模量拉伸模量拉伸模量拉伸模量（GpaGpa）SisalSisal1.51.52.0-2.52.0-2.5511-635511-6359.4-22.09.4-22.0JuteJute1.31.31.5-1.81.5-1.8393-773393-77326.526.5FlaxFlax1.51.52.7-3.22.7-3.2345-1
8、035345-103527.627.6CottonCotton1.5-1.61.5-1.67.0-8.07.0-8.0287-597287-5975.5-12.65.5-12.6E-glassE-glass2.52.52.52.52000-35002000-35007070CarbonCarbon1.41.41.4-1.81.4-1.840004000230.0-240.0230.0-240.0 A.K.Bledzki,J.Gassan.Prog.Polym.Sci.1999(24)：221274 与玻璃纤维、碳纤维性能比较与玻璃纤维、碳纤维性能比较材料材料材料材料拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸
9、强度/MpaMpa拉伸模量拉伸模量拉伸模量拉伸模量/GpaGpa理论值理论值理论值理论值实际值实际值实际值实际值理论值理论值理论值理论值实际值实际值实际值实际值Natural FiberNatural Fiber1000010000(cellulose(cellulose)287-1035287-1035(2.87%-(2.87%-10.35%)10.35%)134134(cellulose)(cellulose)5.5-27.65.5-27.6(4.10%-(4.10%-20.6%)20.6%)E-glassE-glass11000110002000-35002000-3500(18.2-(
10、18.2-31.8%)31.8%)80807070(87.5%)(87.5%)Lennart Salmn.C.R.Biologies 327(2004)873880A.N.Nakagaito,H.Yano.Appl.Phys.A 80(2005)155159天然纤维改性的潜力，源头控制（生物矿化）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（改善复合材料性能的途径（1）l 纤维改性（增强体的改性）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）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）内部改性（改变纤维的自身性能）不经处理，仅填充，不增强不经处
11、理，仅填充，不增强碱液处理，硅烷处理，碱液处理，硅烷处理，乙酰化处理，乙酰化处理，苯甲酰处理，苯甲酰处理，丙烯腈接枝处理，高锰酸处理，丙烯腈接枝处理，高锰酸处理，过氧化物处理，异氰酸处理，过氧化物处理，异氰酸处理，硬脂酸处理，次氯酸钠处理。硬脂酸处理，次氯酸钠处理。表面改性表面改性内部改性前后单纤维性能的测定内部改性前后单纤维性能的测定MethodMethodTensile StrengthTensile Strength(MPaMPa)Tensile ModulusTensile Modulus(MPaMPa)without treatment without treatment 32732
12、799099909TEOS TEOS 375375（14.68）1152211522（16.28）CaSiOCaSiO3 3 370370（13.15）1102111021（11.22）纤维含量纤维含量30%复合材料拉伸性能复合材料拉伸性能D 强度和模量分别提高强度和模量分别提高24.05和和58.33l基体改性基体改性 不同相容剂的应用（相容剂的复配使用）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（提高强度模量很好，但对冲击具有负作用）冲击具有负作用）PP-g-GMA（提高冲击较好）（提高冲击较好）PP-g-AA PP-g-Si改善复合材料性能的途径（改善复合材料性
13、能的途径（2）改善复合材料性能的途径（改善复合材料性能的途径（3）l界面结合改性界面结合改性 不同官能团之间的相互反应不同官能团之间的相互反应纤维含量纤维含量30%复合材料冲击性能复合材料冲击性能冲击强度比加入冲击强度比加入MAPP提高约提高约50.7改善复合材料性能的途径（改善复合材料性能的途径（4）l混杂增强混杂增强 无机填料与天然纤维混杂无机填料与天然纤维混杂 不同种类的天然纤维之间混杂不同种类的天然纤维之间混杂专用性能与综合性能的平衡专用性能与综合性能的平衡l通用性能通用性能l专用性能专用性能l综合性能综合性能材料的复合形式材料的复合形式l注塑产品注塑产品l片材模压产品片材模压产品 根
14、据具体需要选择合理的工艺根据具体需要选择合理的工艺特点及应用前景特点及应用前景l改善了纤维地域选择的局限性改善了纤维地域选择的局限性l复合材料性能改善的针对性，可控性复合材料性能改善的针对性，可控性NMT 制备技术制备技术轻质热塑性片材轻质热塑性片材面密度6002000g/m2 (传统片材40005500 g/m2）体密度0.30.8kg/cm3 (传统片材1.11.3 kg/cm3）特点：特点：（1）更低的可挥发性有机物（）更低的可挥发性有机物（VOC）。）。（2）更轻，减重效果明显。）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。）更好的吸音、隔热性能，更低的热膨胀系数
15、。（4）A级表面。级表面。（5）经济的制品成型过程。经济的制品成型过程。模腔中所需要的压力只有模腔中所需要的压力只有0.1MPa左右，一般不会超过左右，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，传统的片材制品成型时所需要的压力为1020 MPa。（6）更大的制品设计自由度。）更大的制品设计自由度。轻质热塑性复合片材制备轻质热塑性复合片材制备 喷动流化床预混工艺喷动流化床预混工艺发明专利：发明专利：发明专利：发明专利：01112947.6 01112947.6；WO02/94430A1WO02/94430A1轻质片材轻质片材成型成型轻质片材轻质片材性能性能轻质复合片材的力学
16、性能轻质复合片材的力学性能厚度（厚度（mm）2.03.04.0相对密度相对密度0.50.330.25玻纤含量（）玻纤含量（）505050面密度（面密度（g/m2）100010001000拉伸强度（拉伸强度（MPa）11.817.303.01拉伸模量（拉伸模量（MPa）1452914232弯曲强度（弯曲强度（MPa）20.8716.443.34弯曲模量（弯曲模量（MPa）1361932187缺口冲击强度缺口冲击强度（J/m）23021691轻质片材性能优越的吸声性能轻质片材轻质片材应用应用车顶：等比例缩小车顶：等比例缩小尼桑尼桑XterraXterra轿车车顶衬里轿车车顶衬里 轻质片材轻质片材应
17、用应用轻质片材轻质片材应用应用该片材还可以用作遮阳板、后行李隔板等汽车内饰件该片材还可以用作遮阳板、后行李隔板等汽车内饰件20042004年夏天出产价年夏天出产价值值1414万美金的福特万美金的福特GTGT，首次在一辆车首次在一辆车中大量使用这种片中大量使用这种片材做内饰件，包括材做内饰件，包括前、中、后立柱，前、中、后立柱，副仪表板等，总计副仪表板等，总计有近有近2020件，标志这件，标志这这种材料大量使用这种材料大量使用的一个新里程。的一个新里程。轻质片材轻质片材应用应用LWRTLWRT材料制成的公材料制成的公共汽车车顶门共汽车车顶门AzdelAzdel与英国的与英国的BIBI公司合作，公
18、司合作，20042004年在欧洲推出了轻质热塑性复合年在欧洲推出了轻质热塑性复合片材制造的车顶棚，将应用其发片材制造的车顶棚，将应用其发展到汽车外饰件。此外展到汽车外饰件。此外AzdelAzdel还在还在针对火车上的特殊要求，专门推针对火车上的特殊要求，专门推出了出了RailiteRailite复合片材，更大地扩展复合片材，更大地扩展了轻质热塑性复合片材的应用了轻质热塑性复合片材的应用 。技术关键技术关键：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：纤维的单丝分散率：85%85%；纤维长度：纤维长度：5mm5mm；纤维含量：纤维含量
19、：20-40%wt20-40%wt。特点：特点：生产工艺流程短，生产设备相对简单，投资节约；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；能量利用合理，能耗低；以通用工业原料进行生产，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；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，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。对于压机和模具要求低。规模：规模：建成建成150吨吨/年的中试生产线一条，在年的中试生产线一条，在2005.12投入生产。投入生产。华东理工大学华东理工大学LFTLFT在线混合生产线在线混合生产线在线混合在线混合模压成型模压成型热成型热成型LFTLFT应用应用部分产品部分产品l 卡车侧护板（卡车侧护板（NFRT天然纤维）天然纤维）l 发动机护板（发动机护板（LFT长纤维增强）长纤维增强）l 车顶（车顶（LWRT轻质热塑性片材）轻质热塑性片材）l 保险杆保险杆 等（等（GMT）华东理工大学华东理工大学LFT应用应用卡车侧护板：卡车侧护板：天然纤维天然纤维/云母增强聚丙烯云母增强聚丙烯天然纤维复合材料天然纤维复合材料应用应用备胎架（备胎架（Spare Wheel Cover）重量对比重量对比谢谢 谢！谢！