《亞麻纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料的研究》—項(xiàng)目簡要說明

一、項(xiàng)目概要及背景

塑料材料已成為當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的一類重要材料，但是隨著塑料使用量及廢棄量的增加，也帶來了資源問題和對環(huán)境的污染問題。隨著“生態(tài)意識”的覺醒，人們對環(huán)境保護(hù)、衛(wèi)生健康越來越重視，多年來，人們不斷地開發(fā)各種各樣的節(jié)約資源性材料及環(huán)保型材料來代替現(xiàn)有材料。

開發(fā)環(huán)保型塑料和具有高性能的塑料復(fù)合材料已越來越引起人們的關(guān)注。合理利用資源，可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)決定了新材料的發(fā)展趨勢，在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，機(jī)會將更多地賦予質(zhì)輕、價(jià)廉、可生物降解的材料、對環(huán)境無污染的材料及資源高效利用技術(shù)等。

本項(xiàng)目圍繞上述宗旨，開發(fā)亞麻纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料，服務(wù)于塑料產(chǎn)業(yè)和社會需求。

二、研制開發(fā)的目的和意義

亞麻纖維是一種天然高分子材料，它是天然纖維中長度最長的,纖維的結(jié)晶度、取向度、縱向彈性模量較高，很適合做樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。麻纖維復(fù)合材料加工時(shí)耗能少，對加工設(shè)備的損耗小，有利于節(jié)約能源。它最突出的優(yōu)點(diǎn)是具有生物可降解性和可再生性，這是其他任何增強(qiáng)材料所無法比擬的。因此，開發(fā)麻纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料在環(huán)境保護(hù)和資源保護(hù)方面都有重要的意義。

作為一種較新的工程材料，亞麻/聚合物復(fù)合材料是最具潛力的一種新型材料，是當(dāng)今高分子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向之一。亞麻/聚合物復(fù)合材料符合未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，無論從社會的環(huán)境，還是從社會的經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方面來考慮，都是十分必要的和迫切的，具有十分重要的意義

三、國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況和趨勢

亞麻/聚合物復(fù)合材料按基體樹脂不同可分為兩大類：亞麻/熱固性塑料復(fù)合材料和亞麻/熱塑性塑料復(fù)合材料。亞麻纖維增強(qiáng)熱固性樹脂主要是環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺樹脂等。

國內(nèi)外科學(xué)家在亞麻纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料的研究中做了許多有成效性的工作。研究者將亞麻纖維與不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂等樹脂復(fù)合，制成復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明復(fù)合材料拉伸和彎曲性能都得到提高，并且后者的力學(xué)性能要優(yōu)于未改性的原塑料。目前亞麻纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料已經(jīng)在國外工業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)也有小量生產(chǎn)。由于熱固性塑料存在加工周期長，固化后不能再熔融，同時(shí)該種復(fù)合材料密度大、易于燃燒等缺點(diǎn)，因此限制了其應(yīng)用。

近年來，利用可以重復(fù)熔融的熱塑性塑料和天然麻纖維材料進(jìn)行復(fù)合，特別是亞麻/熱塑性塑料復(fù)合材料引起了人們的重視。與亞麻/熱固性復(fù)合材料相比，亞麻/熱塑性復(fù)合材料的韌性高，抗沖擊性能好，加工周期短，可重復(fù)加工及回收利用，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，可應(yīng)用于汽車工業(yè)、室內(nèi)裝飾材料及日常生活等領(lǐng)域，被稱為21世紀(jì)的綠色工業(yè)材料。亞麻纖維增強(qiáng)的熱塑性樹脂多以聚烯烴樹脂為主。聚烯烴樹脂的主要優(yōu)點(diǎn)是加工性能較好，成型工藝簡單，拉伸和抗沖擊性能優(yōu)異，另一方面，亞麻質(zhì)輕、韌性好、價(jià)格便宜，可以降低復(fù)合材料的成本。

亞麻纖維中的羥基可與基體聚合物形成強(qiáng)烈的分子間氫鍵、共價(jià)鍵或其他化學(xué)鍵, 而纖維中未反應(yīng)的羥基在分子內(nèi)或分子間形成氫鍵, 并使亞麻纖維具有親水性, 含濕率達(dá)8%～12.6%。從而引起纖維與基體聚合物之間的粘附性變差, 這樣就使纖維增強(qiáng)材料在使用過程中隨時(shí)間推移而解除鍵合。同時(shí)，亞麻纖維在增強(qiáng)C—H聚合物時(shí), 極性的亞麻纖維很難和C—H聚合物具有相容性, 增強(qiáng)用纖維與基體聚合物兩種材料不相容時(shí), 就很難形成增強(qiáng)復(fù)合材料。缺乏良好的界面粘結(jié)性所導(dǎo)致的惡果是界面張力的增加、材料多孔性和環(huán)境降解的出現(xiàn)。

基于亞麻/聚合物復(fù)合材料的國內(nèi)外研究動態(tài)可知，目前亞麻/聚合物復(fù)合材料的制備工作仍處于研究和探索階段，有關(guān)亞麻的改性處理方法及其與基體樹脂復(fù)合的加工工藝的報(bào)道也較少，因此亞麻的表面處理技術(shù)及亞麻/聚烯烴復(fù)合材料及其制品的開發(fā)與應(yīng)用研究具有重要的意義。

四、前期研制開發(fā)情況

我們經(jīng)過多年對國際先進(jìn)技術(shù)的跟蹤了解，結(jié)合相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，采用不同的改性方法處理亞麻，通過共混加工工藝制備亞麻與PE、PP和PVC等不同的聚烯烴樹脂制備亞麻/聚烯烴復(fù)合材料。

復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于組分的性能和組分間的界面相容性。亞麻纖維的不均勻性和纖維與疏水聚合物基體的不相容性, 對其在復(fù)合材料中的增強(qiáng)作用有不利的影響。亞麻纖維的不均勻性在于它在植物中的部位、植物生長地域和生長條件的不同而引起的組成和結(jié)構(gòu)差異。

經(jīng)過多年探索研究，我們可以通過對亞麻纖維進(jìn)行表面改性處理來改善纖維與基體的相容性，確定了亞麻的復(fù)合表面活性劑處理、表面接枝改性處理兩種處理方法的基本參數(shù)和基本工藝。改善了纖維與基體的界面粘結(jié)性，并且復(fù)合材料的力學(xué)性能隨纖維含量的增加而升高，當(dāng)亞麻纖維含量在25%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了30%。亞麻纖維增強(qiáng)聚合物不僅可以提高其抗蠕變性和耐疲勞性，拉伸性能也隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而提高，纖維體積分?jǐn)?shù)為50%的板材性能最優(yōu)。

兩種處理方法都改變了亞麻纖維表面性質(zhì)和表面自由能，改善了亞麻與PP的界面粘結(jié)性，提高了亞麻/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度也有所提高，同時(shí)隨著處理時(shí)間的增加，提高力學(xué)性能的效果越好。