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1、天然纤维增强热塑性复合材料的高性能化及其应用,戴干策 李 宾 孙占英,华东理工大学 化学工程联合国家重点实验室聚合物加工研究室（200237）2009.11.20,背 景 应 用 开 发 展 望,节能/减排 汽车工业可持续发展的必由之路 强化、拓展复合材料应用 汽车节能/减排的首选措施,先进复合材料、钢和铝在车身 减重方面的对比,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3.84.5Kg，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1020。提高塑料零部件的设计自由度不提高成本，从开发
2、到批量生产周期短。,模块化效益,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。GMT、LFT、NMT是其中最杰出的代表。,天然纤维增强热塑性复合材料,Natural Fiber Reinforced Thermoplastics基体相：热塑性通用树脂（PP、PE、PVC等）增强相：天然的植物纤维（剑麻、黄麻等）纤维形式：短纤维、纤维毡典型代表产品：短纤维增强材料SNRT（Short Natural Fiber Reinforced Thermoplastics）纤维毡增强材料NMT（Natural Fiber Mat Reinforced Thermoplastics）,天然纤维的特
3、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,天然纤维复合材料与传统材料制品质量比较,A.K.Bledzki,J.Gassan.Prog.Polym.Sci.1999(24)：221274,与玻璃纤维、碳纤维性能比较,Lennart Salmn.C.R.Biologies 327(2004)873880A.N.Nakagaito,H.Yano.Appl.Phys.A 80(2005)155159,天
4、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（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）,不经处理，仅填充，不增强,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。,表面改性,内部改性前后单纤维性能的测定,纤维含量30%复合材料拉伸性能,D 强度和模量分别提高24.05和58.33,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,改善复合材料
5、性能的途径（2）,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,冲击强度比加入MAPP提高约50.7,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,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6002000g/m2(传统片材40005500 g/m2）体密度0.30.8kg/cm3(传统片材1.11.3 k
6、g/cm3）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1020 MPa。（6）更大的制品设计自由度。,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,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,该片材
7、还可以用作遮阳板、后行李隔板等汽车内饰件,2004年夏天出产价值14万美金的福特GT，首次在一辆车中大量使用这种片材做内饰件，包括前、中、后立柱，副仪表板等，总计有近20件，标志这这种材料大量使用的一个新里程。,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。,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-
8、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。规模：建成150吨/年的中试生产线一条，在2005.12投入生产。,华东理工大学LFT在线混合生产线,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,卡车侧护板：天然纤维/云母增强聚丙烯,天然纤维复合材料应用,备胎架（Spare Wheel Cover）,重量对比,谢 谢！,
