基于天然纤维的聚合物复合材料的机械性能和摩擦学性能外文翻译资料

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基于天然纤维的聚合物复合材料的机械性能和摩擦学性能

A. Shalwan*, B.F. Yousif

纤维复合材料在工程卓越中心（ceefc），工程与测绘学院，南昆士兰大学，图文巴，4350，昆士兰州，澳大利亚

摘要：这篇文献综述介绍了天然纤维聚合复合材料的力学性能和摩擦性能。这里讨论了不同种类天然纤维材料的的体积分数、取向、处理方式和物理特性对数种热固性和热塑性聚合物的力学性能和摩擦学性能的影响并研究了摩擦学参数（载荷、滑动速度和滑动距离）对天然纤维聚合物复合材料摩擦磨损性能的影响。收集的数据和分析表明，天然纤维的体积分数、取向、处理方式和物理特性对复合材料的力学性能和摩擦学性能有显著的影响。纤维与基体的界面粘结是天然纤维/聚合物复合材料设计中最重要的影响因素。NaOH化学处理方式是提高与基体的天然纤维的界面粘合的最有效的处理方法，同时并没有影响或损坏的纤维强度。天然纤维复合材料的摩擦性能较差，建议采用固体润滑剂来降低材料的摩擦系数。

关键词：天然纤维、机械性能、摩擦学性能

1.介绍

近几年来，从经济和生态的角度来看，天然纤维已成为高分子复合材料的一种有吸引力的强化材料。世界各国环保意识的提高，引起了人们对可生物降解、高性能材料的研究和开发的兴趣。天然纤维可以从植物、动物或矿物等自然资源中获取，其中植物纤维具有来源丰富，无毒无害，对皮肤、眼睛和呼吸系统无刺激性，无腐蚀性等独特优势。随着全球能源危机和生态危机的增加，植物纤维增强聚合物复合材料具有替代合成材料的潜力，因而引起了人们的广泛兴趣[1,2]。天然纤维的成本(200至1000美元/吨)和生产能源(4千兆焦耳/吨)低于玻璃(成本：1200至1800美元/吨，能源生产成本：30千兆吨)和碳(成本：每吨12500美元，能源生产成本：130 GJ)[3]。与合成纤维相比，天然纤维重量小(20~30 wt.%)，体积大，提高了汽车燃料利用率，减少了汽车排放[4YPE。Joshi[6]等人通过对三种材料的综述，讨论并比较了天然纤维复合材料(Nfc)与玻璃纤维复合材料(Gfcs)的生命周期环境性能。joshi等人通过分析总结合成材料的三个实际应用，讨论并比较了天然纤维复合材料(Nfcs)和玻璃纤维复合材料(Gfcs)的生命周期环境性能，合成纤维已被天然纤维所取代。这三个事例如下：

1. 用大麻纤维/环氧树脂复合材料取代丙烯腈-三丁二烯-苯乙烯(ABS)异分子聚合物的奥迪A3轿车侧板[4]
2. 用大麻纤维/三元乙丙橡胶/聚丙烯复合材料代替乙烯-丙烯-二烯共聚物(EPDM)、聚丙烯(PP)和玻璃纤维增强的福特轿车的绝缘部件[7]
3. 用中国芦苇纤维增强聚丙烯替代玻璃纤维增强聚丙烯运输托盘[5]

在所有这些实际应用中，天然纤维复合材料(NFCS)比GFCS更环保，并出现了现实的替代方案，原因如下：

1. 天然纤维(Nf)的生产消耗的不可再生能源比玻璃纤维(GF)要少，从而减少了污染物的排放；
2. 在等效性能条件下，NF的体积分数高于GF，降低了基体的体积和质量,这减少了聚合物生产过程中的能源消耗和排放;
3. 与GF相比，低重量(20-30 wt.%)和高体积的NF提高了燃料效率，降低了使用阶段的排放(自动应用)。
4. NFC的焚烧直接影响碳排放信用，并增加了由于NFC中的碱聚合物质量而降低对空气排放和能量回收的净影响。

近年来，天然纤维如大麻、亚麻、黄麻、亚麻、红麻、油棕榈和竹子等，在许多方面得到了广泛的应用，例如：如汽车、家具、包装和建筑，[6，8-17]。这是因为他们在成本相对较低、重量较轻、对加工设备的损坏较小等方面优于合成纤维，改善模塑件复合材料的表面光洁度，具有良好的相对机械性能，丰富的可再生资源[4–6]。他的研究吸引了研究人员研究在不同的应用和不同的负载条件下使用天然纤维的可能性。图表1显示了过去5年发表的关于合成纤维和天然纤维的文章数量，这表明了研究者对这一课题的兴趣。然而，参与者认为有必要解决使用天然纤维的共同问题以及得到解决这些问题的可能办法。有鉴于此，当前的审查工作是旨在从机械和摩擦学的角度来解决这些问题。

图1 合成和天然纤维增强聚合物复合制品的数量

2.天然纤维/聚合物复合材料的力学性能

从力学的角度来看，通过天然纤维表面特性的改善作用，天然纤维可以提高聚合物的力学性能。本文介绍了影响复合材料性能的几个因素，如界面粘着性、取向、强度、物理性能等。许多研究者报道，纤维增强聚合物复合材料的机电效率取决于纤维-基体界面以及将应力从基体转移到纤维的能力 [9,11,14,18转移到纤。天然纤维的吸湿、杂质、取向、体积分数和物理性能对纤维聚合物复合材料的力学性能起着决定性作用。图表2显示了不同类型天然纤维增强聚合物对聚合物力学性能的影响。在大多数情况下，天然纤维增强聚合物复合材料比纯基体具有更好的力学性能。换句话说，天然纤维作为聚合物复合材料的增强材料，对聚-MERS的力学性能有着积极的影响。在聚乳酸(PLA)中添加黄麻纤维可提高聚乳酸的抗拉强度75.8%，而亚麻纤维则表现出负面影响，即降低聚乳酸的抗拉强度16%。另外，红麻[28]、大麻[2]、棉[29]等均能提高PP复合材料的拉伸强度。环氧纤维的抗拉强度随着黄麻纤维的加入而提高，但黄麻纤维的抗压强度下降。同时，黄麻增强了复合材料的所有力学性能[30]。与纯聚酯相比，黄麻/聚酯复合材料的拉伸强度提高了121%.

图2 天然纤维/聚合物复合材料的一些力学性能

2.1.天然纤维的界面粘着性

天然纤维的聚合物复合材料的力学性能在很大程度上取决于纤维与聚合物基体之间的界面粘附[14，15，31-33]。这主要是由于天然纤维中含有丰富的纤维素、半纤维素、果胶和木质素，这些都是羟基基团，即天然纤维倾向于强极性和亲水性材料，而聚合物则表现出显著的疏水性。换句话说，纤维和基体之间存在着明显的兼容性问题，这削弱了天然纤维与基体之间的界面面积。然而，许多研究人员报告说，漂白、乙酰化和碱处理等化学处理可以改善基体纤维界面粘附[9，11，13，31，34-36]。这些化学处理是将纤维表面从杂质中清除出来的过程，这反过来又增加了纤维表面的粗糙度，破坏了吸湿过程。 去除纤维中OH基团的涂层，如图表3中所示。

图3 纤维表面与NaOH反应

科学家们已经研究了化学溶液的种类和浓度对纤维性能及其与各种基体的界面粘附性的影响。Alawar等人研究了不同浓度(NaOH 0.5~5%和HCL 0.3~1.6 N)两种化学处理对枣仁纤维表面形貌和力学性能的影响。结果表明，NaOH能提高纤维表面形貌，并随浓度的增加而增加纤维表面的孔隙数。这可能是由于NaOH在纤维上的反应的剧烈程度增加，而增加了纯碱的浓度。此外，在低碱处理浓度下，纤维的拉伸强度和杨氏模量均比未处理纤维有所提高。与未处理纤维相比，最佳碱浓度为1%，抗拉强度提高300%。当NaOH浓度较高时，溶液会与纤维的主要结构成分发生反应，从而削弱纤维的强度。另一方面，hcl处理使抗拉强度变大。由于酸的侵蚀，天然纤维表面发生了变形。在[38]中，关于竹纤维上六氯甲烷效应的类似研究结果也有报道。

在化学处理技术的条件下，Saha等人[13]在环境温度下 高温高压蒸煮条件下研究了碱处理（NaOH）对黄麻纤维的拉伸强度的的影响。在各种条件下，NaOH的使用都使表面粗糙，并使非纤维素材料、无机物和蜡的分离和去除效果更好。与未处理的纤维相比，碱处理后氢键的氧-氢拉伸范围变小。在高温和高压蒸汽条件下，纤维的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了65%和38%。

许多研究都采用单纤维断裂试验(SFFT)来评价天然纤维与基体[32，33，39-45]的界面剪切。以该方法为例，研究了未处理和预处理剑麻纤维(硬脂酸)与聚酯基体的界面剪切[32]。由于减少了纤维块和聚集体的大小和数量，在标准加工过程中，纤维与基体之间的结合增强，对纤维的处理有所改善，即与未处理的纤维相比，强度增加了大约23%。在测试后的试样断口图上观察到，与处理后的纤维相比，未处理的纤维显示出较大的纤维拔出。

对于基于天然纤维的复合材料，如图4所示，研究了NaOH和天然纤维的硅烷处理对竹材/聚乳酸[46]、苎麻/PLA[47]、竹/聚丙烯[46]、竹/聚丙烯[46]和henequen/HDPE[48]复合材料抗拉强度的影响。 结果表明，与未处理的纤维/聚合物复合材料相比，经处理的纤维/聚合物复合材料具有更好的拉伸强度。另外，未处理的竹/PLA复合材料的拉伸强度比纯PLA低30%，而竹材/PLA复合材料的拉伸强度纯PLA低约10%和模量相比PLA低4%。 NaOH或硅烷处理对竹材/聚丙烯(PP)和异马烯/高密度聚乙烯(HDPE)抗拉强度的影响与竹/聚乳酸复合材料相似。.另一方面，用NaOH处理竹/PLA和苎麻/PLA比硅烷处理的效果好。

图4 基于天然纤维处理/没有处理的聚合物复合材料的拉伸强度

2.2.纤维取向对力学性能的影响

在纤维聚合物复合材料中，复合材料的形状和表面形貌由基体决定，而纤维在加载条件下充当载荷和应力(刚度和强度)的载体。因此，天然纤维的取向对复合材料的力学性能有着重要的影响和控制作用。研究表明，随着纤维取向(0L、10L、30L、45L和90L)w和对应的施加荷载的方向的增加，Alfa/聚酯复合材料的弹性模量(E)、泊松比(M)和拉伸强度降低[49]。当纤维取向为45L和90L时，纤维的拉伸强度随纤维角的变化而降低的百分比分别为78%和88%。在横向上，纤维/聚合物复合材料的力学性能由基体而不是纤维控制，反之亦然。在同一个层次上，所有关于天然纤维/聚合物复合材料的报道也得出了同样的结论，例如剑麻/油棕榈/天然橡胶[50]和其他[18，19，50，51]。然而，在其他载荷下，这是不正确的，例如在摩擦载荷作用下，纤维的取向对复合材料的摩擦学性能有不同的影响。这一点将在摩擦学部分得到证实。

2.3.体积分数效应

在理论模型中，高强度纤维体积分数(VF)的增加导致纤维聚合物复合材料的拉伸性能增强，即比例关系[25，52，53]。然而，从实验的角度来看，VF值的增加往往会使力学性能恶化。为了获得最佳的力学性能，对复合材料中天然纤维体积分数的最佳值进行了研究表1总结了一些聚合物复合材料中天然纤维最佳体积分数的研究成果。天天然纤维的纤维体积分数似乎没有普适值，可以达到最佳的抗拉强度。也就是说，对于每种类型的纤维，都有一个最佳的体积分数，表现出良好的抗拉强度。这可能与天然纤维的性质及其在强度、界面粘着性、物理性能等方面的特性有关。此外，这些报道的工作与高体积分数50%的纤维趋于聚集在复合材料中，削弱了纤维和马三克斯之间的界面面积和脱粘作用。 [31,49,50,52–55].

表1 各种现有纤维增强复合材料的比较

2.4.纤维物理性能的影响

天然纤维长度的增加或直径的减小对聚合物复合材料的力学性能有积极的影响[20-23、43、53、60-65]。纤维长度的减小大于临界长度，降低了基体与纤维之间的应力传递效率。此外，保持纤维的最佳体积分数与短纤维，增加了纤维的数量，促使了裂纹的产生，即复合材料的机电性能恶化。

刘等人[62]发现红麻/大豆复合材料的临界纤维长度为6mm。Mylsamy和Rajendran[63]发现，最佳纤维长度为3毫米。这种临界长度的差异主要是由于纤维与基体的界面粘着程度不同，而基

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