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什么是天然复合材料,它们有什么用途?

天然复合材料——由自然资源制成的高性能工程产品的开发逐年增加。随着公司面临石油基产品带来的挑战以及寻找可再生资源的需求——天然复合材料背后的驱动力是基于成本(目前使用天然复合材料制造成本更低)重量减轻,天然复合材料更容易回收。

天然复合材料被认为耐用、可靠、重量轻且具有出色的机械性能,在汽车、建筑和施工行业中越来越受欢迎。汽车行业越来越多地使用天然复合材料正在推动市场发展,奥迪、雪铁龙、宝马、菲亚特、标致、丰田、大众、雷诺、沃尔沃和福特都在其车辆中使用天然纤维复合材料。

这些组件通常基于聚丙烯树脂,而天然纤维在价格、重量、减少和回收方面被认为优于玻璃和碳材料。

最受欢迎的天然纤维包括亚麻、黄麻、大麻、剑麻、苎麻和洋麻纤维,但人们对小麦、竹子、蕉麻甚至菠萝叶等其他材料的不同应用也越来越感兴趣。与人造复合材料不同,天然纤维复合材料的性能可能因收获时间和地点而异,因为它们对温度、湿度和紫外线辐射极其敏感。

在所有植物纤维中,纤维素的基本化学结构相似,但聚合度不同。这些因素都有助于天然纤维的不同特性。

什么是天然复合材料,它们有什么用途?

天然复合材料的优点和缺点

使用天然纤维复合材料有很多好处;许多人认为环境问题是主要问题;天然复合材料被认为是一种可再生资源,因此总是很容易获得,并且所需的生产能源是玻璃纤维所需能源的三分之一。对于许多希望减少二氧化碳排放量的公司来说,植物纤维在生长过程中吸收的二氧化碳与分解时释放的二氧化碳一样多。

在加工天然纤维时,他们提供无害加工。没有工具磨损,也没有许多玻璃纤维所见的皮肤刺激。物理天然纤维比玻璃具有更高的比强度和刚度,密度低,因此重量轻。天然纤维可用于常见的复合材料加工,例如注塑成型、挤出压缩成型、片材成型、RTM 和拉挤成型。由于纤维的性质,对于中小型部件,由于其简单性,注塑和压缩成型是首选,对于较大的结构,开放式模具最适合纤维。

可以考虑对天然纤维进行改性,通过改变表面特性来提高不同基质的粘附性。非常脆的坚固界面可以实现出色的强度和刚度。还可以通过较弱的界面减少从基质到纤维的应力传递。酸酐含量较高的添加剂会为化学连接创造更多位点,从而在低添加剂含量下获得更高的性能。这也减少了吸水量(对天然纤维的机械性能至关重要)。

当然,天然纤维也有许多缺点。主要问题是它们相对较高的吸湿性和冲击强度。天然纤维吸收水分导致肿胀。这会影响它们的使用。在加工过程中,天然纤维在降解过程中会产生气味,并且其最高加工温度低于玻璃纤维。为了增加纤维的密度,通常需要将一些纤维造粒以增加密度。

虽然使用天然纤维可以减少二氧化碳排放,但天然纤维复合材料存在环境问题,包括由于风化或真菌侵袭导致的低耐用性。由于收获、天气和位置等不可预测的影响,天然纤维的质量并不总是得到保证。

我可以将天然物质与化学物质混合吗?

在过去的二十年里,人们对石化基热塑性塑料和热固性基质中的天然纤维进行了广泛的研究。最常见的是聚酯、环氧树脂、酚醛树脂和乙烯基酯是天然纤维复合材料中使用最广泛的基质。

从可再生资源开发的聚合物也取得了进展,例如天然存在的聚合物淀粉。其他生物基聚合物,如大豆基可生物降解树脂,已经用天然纤维复合材料进行了测试,结果各不相同。

天然复合材料适合我吗?

随着过去 10 年技术的进一步进步,以及汽车、建筑和航空航天工业越来越感兴趣,天然纤维因其重量轻、具有竞争力的比强度和刚度而变得越来越普遍。

天然纤维复合材料带来的环境效益包括二氧化碳排放和可再生性质,以及制造和加工的简便性和灵活性,以及​​性能、耐用性和价值的持续改进。天然复合材料在性能、耐用性和耐受性方面与其化学复合材料相比还有很长的路要走,但差距正在变得越来越小。

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