基于Coir和Al 的不同纤维层复合材料的性能评价

文 | 大王体坛

编辑 | 大王体坛

前言

使用天然和合成纤维生产的混合复合材料是适用于不同结构应用的可持续替代材料，本研究旨在通过向椰壳复合材料中添加氧化铝填料，将椰壳纤维、无碱玻璃、合成织物和橡胶板结合到环氧树脂基质中。

混杂纤维和填料可以增强拉伸性能产品的吸水率高达280%，吸水性能和厚度膨胀率提高到78%，在将纤维层并入椰壳纤维/氧化铝复合材料后，弯曲性能下降。

在用橡胶板代替合成织物后，还观察到弯曲和冲击性能有所提高， SEM图像和宏观断口显示基体上的纤维断裂、复合材料的脆性断裂以及弯曲试验期间橡胶板与基体之间的分层失效。

天然纤维复合材料的优点

天然纤维复合材料由于其优于合成类型的优点，如低密度、低成本、可生物降解、最小的废物处理问题和环境友好性，已被用于各种目的，但它们在实际应用中有一些缺点，包括高吸湿性，相容性差，以及在较高温度下的机械性能、耐久性和热稳定性低。

在同一基质内杂交天然纤维和合成纤维，是可用于克服这些问题的有前途的策略之一，合成纤维具有优异的机械和物理性能，以及与聚合物基质的相容性，它们在减轻自然类型的缺点方面也非常有效。

几项研究报告了合成纤维（比如凯夫拉尔纤维、芳纶纤维和玻璃纤维）与天然变体（包括玄武岩、苎麻和黄麻）的结合用于分层顺序以及提高机械性能。

在过去的几年中，一些研究探讨了杂化对杂化层合复合材料的机械和物理性能的影响，混合层压复合材料提供了不同的材料设计方法，这些材料具有卓越的机械性能、轻质、防潮和降低成本的优势。

尽管在实际应用中仍然没有替代材料来替代传统纤维，但天然、合成变体的混合可以减轻材料的重量和成本，所以优化方法对于混合层状复合材料的生产非常重要，它涉及优化设计变量、目标函数、约束和算法。

除了受纤维类型和天然合成纤维混杂的影响外，聚合物复合材料的特性还受填料的影响，添加适当的填充剂可以提高基质的有效性。

通过将天然纤维和合成纤维结合并添加碳化硅来开发聚合物复合材料，结果表明，碳化硅填料可以减少空隙，改善制品的物理性能，添加纳米填料可以影响机械性能，改善物理质量和尺寸稳定性，增加耐磨性，延缓热降解。

椰壳纤维是一种天然纤维，可以作为合成纤维的替代品来增强复合材料，与其他天然纤维类似，它与合成变体相比具有几个优点，例如密度低、成本低、柔韧性高、无毒、可生物降解和可回收。

以前的研究还研究了椰壳纤维、合成纤维增强混合层压复合材料的机械和物理性能，同时还可以让我们评估产品的结构，如影响其性能的纤维的数量和分层顺序。

在评估3层混合层压复合椰壳、玻璃的机械和物理性能后，结果表明，该产品表现出对水分子的抵抗力，并且具有比PALF/玻璃复合材料更高的冲击强度，

椰壳纤维、玻璃复合材料的抗拉强度高于混合丝瓜络、玻璃纤维，它们在15MPa的压力下压缩20分钟的椰壳纤维、橡胶增强混合层压复合材料的机械性能，而后又在130 C至160 C的温度范围内评估拉伸强度。

结果表明，从138.8到145.3MPa，拉伸性能只有轻微变化，这表明它不受温度变化的影响。

几项研究主要集中在使用天然纤维和玻璃纤维以及纤维垫的堆叠顺序，然而没有研究检查用椰壳纤维、玻璃纤维、合成织物、橡胶板增强的混合层压复合材料的机械和物理性能。

重要的是要审查合成织物和橡胶板作为额外增强材料的使用，因为它们可以改善这些特性。

在这项研究中，混合层压复合材料由椰壳纤维+氧化铝、玻璃纤维、合成织物、橡胶板制成，以评估它们的物理和机械性能，该产品是用不同数量的层和堆叠制造的。

材料与方法

几项研究使用NaOH对天然纤维进行改性，结果显示与基质的界面结合增加，在这项研究中，椰壳纤维预处理开始于样品的选择和切割，直径和长度分别小于0.5毫米和10-20毫米。

通过在80 C的5%NaOH溶液中煮沸10分钟来预处理样品，再使用高速搅拌机半机械地进行原纤化过程。

随后让椰壳纤维在20000rpm下混合10分钟以减小直径，并用蒸馏水清洗原纤化纤维并在制造样品前干燥三天。

手糊技术和静载荷压缩通常被用来生产混合层压复合材料，模制品（250 250 14mm）用于制造基体、增强材料和填充材料的复合材料。

使用ASTMD792标准确定混合层压复合材料的密度，把试样被切割成50 50xtmm的正方形，之后所有试样都经过预处理，直到它们达到恒定质量，然后在25摄氏度下进行测试。

每种变体复合材料总共制备了五个试样，然后测试，而使用等式中的公式计算密度如下：

混合层压复合材料的吸水率(WA)和厚度膨胀(TS)测试是使用ASTM D570-98 的标准测试方法进行的。

将每种混合层压复合材料的五个制备样品切成20mm 20mm 10mm的尺寸，然后在50 C的烘箱中干燥30分钟,浸泡前称重，然后在水中浸泡30天。

每五天取出样品，擦去表面的水，然后称重，连续测量样品的重量，直到达到饱和阈值吸收。

采用厚度膨胀试验研究了吸水率对复合材料样品在水中浸泡一定时间后尺寸变化的影响，还使用了用于吸水试验的样品，每五天测量一次，最多30天。

杂化层合复合材料的拉伸性能是根据拉伸强度确定的，使用ASTM标准D3039将样品切成矩形条，每种复合材料的尺寸为250 25mmx实际厚度。

拉伸测试在Tensilon万能测试仪型号RTF1350中以2毫米/分钟的十字头速度进行，为每个变体制备五个样品，然后记录平均断裂载荷和极限拉伸强度，拉伸试验在室温下进行，湿度为50-60%。

使用德国QuantaFEG650型扫描电子显微镜(SEM)鉴定混合层压复合材料的形态特征，形态显微照片是在常规二次电子成像条件下使用15kV加速张力和200倍放大倍率获得的。

样品通过溅射镀金，然后在SEM分析之前使用双面安装在铝支架上，能量和复合材料的韧性。

混合层压复合材料的密度

下图显示了混合层压复合材料与对照样品（即纯环氧树脂和带有氧化铝填料的椰壳复合材料）相比的密度，与对照相比，产品具有更高的密度，复合材料的密度范围为1090至1190kg/cm 3，其中最高和最低分别来自HL3和C1，

原材料密度的差异影响了混合层压复合材料，纤维层的数量也影响了产品的价值，混合层压复合材料的密度随着纤维层数的增加而提高，并且还受到所用纤维类型的影响。

不同类型纤维的混合和矩阵内部层的组成，提供了更可接受的产品质量定制程度，这些发现有助于选择复合材料技术中的构造材料。

吸水率会影响纤维-基体界面和复合材料的结构，它还与整体性能相关，例如尺寸稳定性和机械性能。

下图显示了纯环氧树脂和混合层压复合材料在浸泡30天后的吸水百分比，从第1天到第5天，样品的吸水率显着增加，随后在第10天逐渐接近饱和点，之后直到30天才吸水。

杂化层合复合材料的HL3样品具有较高的吸收能力，而C1样品具有最低的吸收能力，复合材料浸泡10天后吸水率为2.05%~2.35%，即HL3（2.35%）>HL2（2.25%）>HL1（2.05%）>C2（1.99%）>C1（1.84%）。

先前的研究也获得了类似的趋势，这些研究测量了编织黄麻/苎麻层压环氧复合材料的吸水率，这项研究的结果表明使用天然纤维层的防水性能更好，这表明天然纤维的含量由于其亲水性使复合材料中的水更容易渗透。

与纯环氧树脂变体相比，混合层压复合材料表现出更大的吸水趋势，该研究表明，产品的吸水量随着纤维层数的增加而增加。

随着增强层的增加，由于试样切割而暴露在水中的纤维数量也会增加，从而导致更多的吸收，这也可以归因于该层的不良结构，其中纤维层-基质界面结合导致微通道的形成。

具有合成纤维负载的HL2样品的性能吸收高于具有橡胶板的HL1，为0.20%，这一发现表明合成织物比橡胶板具有更好的吸收性能。

厚度溶胀性能与杂化层合复合材料的尺寸稳定性有关，对于一定的浸泡时间，它受吸收的水量的影响，由于吸湿引起的重量增加相比，其效果较低，低厚度溶胀可归因于水分子的软化作用，这降低了纤维结构的刚度，

当浸入水中时，混合层合复合材料的样品会在水平和垂直方向上膨胀，水可以作为增塑剂，纤维对水的吸收会影响复合材料的机械性能。

纯环氧树脂样品的最低尺寸变化率发生在浸入过程中，这是因为环氧树脂是疏水性的，这使得它具有防水性，而增加增强层的数量会影响混合层压复合材料的耐水性和尺寸，其中树脂不能有效地完全覆盖纤维。

这进一步导致复合材料内形成空腔，与玻璃和黄麻纤维增强混合复合材料相比，复合层压混合材料具有更好的抗吸水性和厚度溶胀性，

结语

本研究评估了以椰壳纤维、无碱玻璃、合成纤维、橡胶板为增强体的混杂层合复合材料的硬度、吸水率、厚度膨胀以及拉伸、弯曲和冲击强度等物理和机械性能。

在椰壳环氧树脂复合材料中结合合成纤维、橡胶和玻璃纤维层可以提高机械性能，与HL2和HL1相比，HL3样品的拉伸强度更高，为76.03MPa。

C2样品还表现出比其他样品更高的弯曲性能(131.14MPa)，HL3样品的冲击强度最高，为58.02kJ/m 2 ，其次是HL1和HL2，而C1最低。

混合层压复合材料的Shore-D硬度值与拉伸性能呈线性相关，水吸收性能范围为1.84至2.35%，而纯环氧树脂复合材料的性能优于混合层压变体。

产品表现出脆性行为，具有分层和纤维断裂，橡胶板和环氧树脂基体是弯曲过程中的主要失效机制，这表明这些复合材料中存在不良的界面结合，开发的产品可作为纯天然或合成纤维复合材料的用于各种结构应用。