塑料工程師學會北京分會

天然纖維是能在相對較短時間形成的可持續資源。與碳纖維、玻璃纖維及其他人造纖維相比，天然纖維可以為高分子復合材料的生產提供無限資源。以前許多研究集中于天然纖維潛在的增強作用。天然纖維的低密度意味著這種增強復合材料的特點便是輕質量和優異性能。天然纖維的單獨使用一般不足以滿足纖維增強復合材料的技術要求，合成纖維與天然纖維的結合使用才能提供一個更加優化的、經濟和環境更加友好的解決方案。

復合材料的纖維增強多應用于需要減少成本的領域，例如消費品，汽車行業，以及低成本住房。到目前為止，各種天然纖維已被開發使用（例如從以下植物中獲取的纖維：椰子，劍麻，黃麻，苧麻韌皮，菠蘿葉，洋麻韌皮，馬尼拉麻片，蒲式耳，棗椰子，竹子，棕櫚，香蕉，大麻，亞麻，稻殼纖維，和棉）。在這些應用中，這些纖維被用于替代鋼或合成纖維的復合增強件。

在這項工作中，我們的目的是研究一種新型夾層結構的的機械性能。我們以椰殼纖維氈為核心，外面包覆編織玻璃纖維粗紗皮。我們比較了椰殼纖維/聚酯復合材料和椰殼玻璃纖維/聚酯復合材料來確定的最終復合結構的機械性能的改善。研究結果因此可以用來確定椰殼玻璃纖維/聚酯夾層復合結構可能的用途。

椰殼是一種木質纖維，目前在農業和園藝領域應用廣泛。它是從熱帶地區的椰子果皮（外層）中得到的。關于椰殼纖維的復合材料增強的原因有幾種解釋，這是我們研究的重點。例如，椰殼纖維具有高的耐候性，與其他天然纖維相比具有高木質素含量。事實上，在所有的天然纖維中，椰殼纖維的特征在于特別高的木素含量（40-45wt％）和非常低的纖維素含量（32-43wt％），這就會引起吸水性達到最小水平。椰殼纖維通常長10-30cm，因此具有高的長徑比。此外，微纖維45℃的螺旋結構意味著椰殼纖維可拉伸至超過其彈性極限而不破裂。

對于我們的夾層復合材料（參見圖1），我們使用非編織椰殼纖維氈作為芯材。我們使用真空輔助樹脂轉移模制技術制造這些氈子。為了評估我們的椰殼纖維/聚酯和椰殼玻纖/聚酯復合材料的機械和物理性能，我們測量了增強劑含量、樹脂含量、面密度和厚度。物理性能測試的結果顯示，相比椰殼纖維/聚酯復合材料，椰殼玻纖/聚酯夾層結構通常具有較低的厚度膨脹率、吸水率以及含水量（參見圖2）。在我們的機械試驗中，我們測量了每種樣品的抗拉強度、開孔拉伸強度及抗彎強度。我們發現，相比椰殼纖維/聚酯復合材料的拉伸強度（8MPa），椰殼玻纖/聚酯夾層結構具有明顯更大的拉伸強度（70MPa）。

圖1 復合樣品不同方面的圖示。 （A）夾層結構作為芯材的非編織棕墊照片。 （B）作為復合材料包覆層的編織玻璃纖維粗紗皮照片。 （C）在本研究中使用的不同椰殼纖維和玻璃纖維夾層結構的示意圖。每個樣品通過一個縮寫表示它的組成部分。 （D）真空輔助樹脂傳遞模塑成型過程中，椰殼纖維和玻璃纖維織物的照片。 （E）在該技術中所使用的流動介質。

圖2 椰殼纖維增強夾層復合材料的吸收性能和力學性能。（a）開孔與不開孔樣品的拉伸模量。（b）厚度膨脹率。（c）2，24，48，和96小時后的水吸收量。

在我們的實驗中，我們還發現，引入玻璃纖維作為包覆層的椰殼纖維/聚酯復合材料顯著提高了其物理和機械性能。例如，96小時后，樣品的厚度膨脹率從13.3%減少到1.85%。加入編織玻璃纖維后，吸水率及水分含量也相應減少。與此相反的是，拉伸強度、拉伸模量和合材料的彎曲強度都顯著增加。我們測量到拉伸強度增加了4.2-69.2MPa，拉伸模量增加了2-6 GPA，抗彎強度增加了31.8Gpa-131.5MPa，參見圖2（a）。我們可以用“工”形梁的概念解釋抗彎強度的提高。在“工”型梁承受撓曲載荷時，凸緣受壓縮和張力，這類似于包覆層中的復合材料，而芯材承載剪切應力，并導致彎曲剛度的提高。

       總之，我們已經使用天然椰殼纖維作為一種新穎的聚合物增強材料。我們還研究了椰殼纖維/聚酯和椰殼玻纖/聚酯復合結構的機械和物理性能。我們的結果表明，相比椰殼纖維/聚酯樣品，椰殼玻纖/聚酯樣品具有更高的拉伸強度。此外，我們發現，這兩個復合結構的特性可以通過編織玻璃纖維的包覆大大改善。這些足以說明我們的新穎的復合材料適合應用于許多不同的領域（例如建筑、汽車和家具行業）。在我們今后的工作中，我們計劃增加天然纖維含量，并使用天然樹脂做基體復合材料，同樣用椰殼纖維作為增強劑，探索性能更加優異的復合材料。