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济南 大学 植物纤维 SMC FRP 废渣 处理 葛曷一

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植物纤维复合材料及植物纤维复合材料及 FRP废渣的废渣的应用应用 报告人 葛曷一报告人 葛曷一 济南大学材料科学与工程学院济南大学材料科学与工程学院 20162016年年4 4月月 目录目录 植物纤维复合材料的研究与应用植物纤维复合材料的研究与应用 植物纤维植物纤维SMCSMC制品的研究进展制品的研究进展 FRPFRP废弃物的处理与应用废弃物的处理与应用 植物纤维复合材料的发展趋势及展望植物纤维复合材料的发展趋势及展望 当前复合材料热点当前复合材料热点 热塑热塑 复合材料复合材料 绿色绿色 复合材料复合材料 FRP 回收利用回收利用 天然纤维汽车顶框架天然纤维汽车顶框架 植物纤维复合材料的研究与应用植物纤维复合材料的研究与应用 增强体增强体 基体基体 复合材料复合材料 玻璃纤维玻璃纤维 植物纤维植物纤维 密度低 比性能高 隔音效果好 可回密度低 比性能高 隔音效果好 可回 收 可再生 可自然降解及人体亲和性 收 可再生 可自然降解及人体亲和性 绿色复合材料绿色复合材料 应用领域已从航空航天和国防军工扩展应用领域已从航空航天和国防军工扩展 到建筑与土木工程 陆上交通运输 船到建筑与土木工程 陆上交通运输 船 舶和近海工程 化工防腐 体育 医疗舶和近海工程 化工防腐 体育 医疗 器械与仿生制品以及家庭办公用品等各器械与仿生制品以及家庭办公用品等各 个部门 个部门 1 1 植物纤维增强复合材料的应用植物纤维增强复合材料的应用 生物质生物质 基体基体 1 2 植植物纤维的特性物纤维的特性 植物纤维具有来源广泛 价格低廉 可自然再生 可生物降解 密度低植物纤维具有来源广泛 价格低廉 可自然再生 可生物降解 密度低 和比表面积大等特点而且在大部分情况下 其强度可以满足使用要求 和比表面积大等特点而且在大部分情况下 其强度可以满足使用要求 植物纤维植物纤维以木质素和半纤维素为基体以木质素和半纤维素为基体 纤维素微纤丝为纤维素微纤丝为 增强体的复合材料增强体的复合材料 含有大量的极性羟基和酚羟基官能团含有大量的极性羟基和酚羟基官能团 表面极性大表面极性大 亲水性强亲水性强 1 3 植物纤维表面改性方法植物纤维表面改性方法 表面改性表面改性 物理方法物理方法 化学方法化学方法 物理方法物理方法 热处理热处理 去除植物纤维中的游离水和 部分结合水 防止在加工过程中因植物纤 维失水而导致复合材料内部 产生孔隙和应力缺陷 最常见的方法 放射处理放射处理 引入外部能量来使材料结构 产生有利变化的技术 超声波处理 微波处理 低 温等离子放电处理 溅射放 电处理和电晕放电处理 碱处理碱处理 除去纤维表面存在 的半纤维素 木质 素和果胶等物质 使纤维空腔化和原 纤化 形成较粗糙 的表面形貌 有利于与树脂基体 形成机械互锁结构 酰化处理酰化处理 极性较弱的酯基取 代强极性的羟基 破坏部分氢键 降 低植物纤维的表面 极性 提高其与树脂基体 的相容性 过氧化物处理过氧化物处理 分子中含有过氧离 子 O O 的特殊功 能化合物 很容易 分解形成自由基 然后自由基与树脂 基体和纤维上的氢 反应 化学方法化学方法 偶联剂处理偶联剂处理 硅烷分子一端的烷氧 基水解形成硅醇 硅 醇可以与纤维素表面 羟基通过氢键等作用 连接 同时分子链另 一端根据链段长度 基团的不同可以通过 物理 化学手段与树 脂基体连接 接枝处理接枝处理 纤维的表面接上某些 烯类单体的均聚物 可改善材料的吸水性 浸润性和粘接性 复合处理复合处理 具体使用过程中单 一的处理方法往往 不能满足材料性能 的要求 通常是两 种甚至多种方法复 合应用 化学方法化学方法 1 4 加工成型方法加工成型方法 植物纤植物纤 维复合维复合 材料材料 模压模压 成型成型 挤出挤出 成型成型 注塑注塑 成型成型 将一定量的预混料或预浸料加将一定量的预混料或预浸料加 入金属对模内入金属对模内 经加热经加热 加压加压 固化成型的方法固化成型的方法 美国美国 Plast Comp 公司和公司和 Ga Mra 复合材料公司合作开发复合材料公司合作开发 出挤出成型麻纤维增强型复出挤出成型麻纤维增强型复 合材料新工艺合材料新工艺 粒料加入料简粒料加入料简 物料熔化物料熔化 流动流动 以很高的压力和较以很高的压力和较 快的速度注入温度较低的快的速度注入温度较低的 闭合模具内闭合模具内 冷却冷却 脱模脱模 交通运输 如汽车保险杠 后举升门 前散热器罩和支架 引擎盖 挡泥板 扰流板 卡车驾驶室及卡车箱板等 建筑用卫生间及内部设施 饮用水箱 绝缘部件通讯电缆分配箱 各 种办公及家用电器外壳及内部零件等 植物纤维植物纤维SMCSMC制品的研究进展制品的研究进展 片状模塑料片状模塑料 SMC 一种由树脂 增强纤维 填料以及各种添加剂 如固化剂 化学增稠剂 低收缩添加剂 脱模剂和着色剂 等组成的夹芯薄片状材料 其芯部由 经树脂糊充分浸渍的短切纤维 或毡片 构成 上下两面被塑料薄膜覆盖 用植物纤维代替传统的玻璃纤维制备用植物纤维代替传统的玻璃纤维制备SMC 片材近年来受到了越来越多的关注和研究 片材近年来受到了越来越多的关注和研究 玻璃纤维玻璃纤维 基体基体 填料填料 SMCSMC 植物纤维植物纤维 Voorn B van 等制备了用亚麻亚麻代替玻璃纤维的SMC片材 亚麻纤维含 量对SMC片材机械性能的影响进行了研究 通过模压工艺制备的亚麻 纤维SMC与玻璃纤维SMC机械性能相当 亚麻纤维的弯曲强度 左边代表模量 亚麻纤维的弯曲强度 左边代表模量 右边代表强度 右边代表强度 Geeta Mehta等制备了一种新型的生物质复合材料 加入不同的天然纤 维 制备应用于房屋面板的SMC片材 具有成本低 绿色环保等优点 不同天然纤维不同天然纤维SMC 纤维含量 纤维含量 20wt 的比强度与比模量 的比强度与比模量 A 未处未处 理理蓝草蓝草 SMC B 硅烷偶联剂处理的硅烷偶联剂处理的蓝草蓝草 SMC C 苎麻苎麻 汉麻汉麻 SMC D 玻璃纤维玻璃纤维 SMC 我们的工作我们的工作 对比纤维改性方法对比纤维改性方法 纤维含量对纤维含量对 SMC机械性能机械性能 热性能热性能 吸水性的吸水性的 影响影响 玻璃纤维玻璃纤维 基体基体 填料填料 SMCSMC 剑麻纤维剑麻纤维 表面改性表面改性 a 未处理 未处理 b 碱处理 碱处理 c KH 570处理处理 d KH 550处理处理 红外光谱分析红外光谱分析 FTIR 最大值出现在纤维最大值出现在纤维 含量位含量位10 vol 能够有效传递应力 能够有效传递应力 NaOH去除了纤维表面的果胶 半纤维素等成分 去除了纤维表面的果胶 半纤维素等成分 表面处理后 剑麻纤维与树脂基体的界面结合力提高 表面处理后 剑麻纤维与树脂基体的界面结合力提高 剑麻纤维剑麻纤维 剑麻纤维增强剑麻纤维增强SMC NaOH可以去除剑麻纤维可以去除剑麻纤维表面的果胶和蜡状物表面的果胶和蜡状物等非结晶性的成分 等非结晶性的成分 偶联剂可以与纤维和基体之间反应 生成化学键 偶联剂可以与纤维和基体之间反应 生成化学键 FRPFRP废弃物的处理与应用废弃物的处理与应用 用量的增加必然导致其废弃物的不断增加用量的增加必然导致其废弃物的不断增加 同时同时 热固性树脂固化后热固性树脂固化后 形成交联网络结构形成交联网络结构 具有不溶不熔的特性具有不溶不熔的特性 因此其回收非常困难因此其回收非常困难 FRP废弃物废弃物 资源化利用资源化利用 纤维增强塑料纤维增强塑料 FRP 以质轻以质轻 高比强度和比模量高比强度和比模量 耐腐蚀性等优异耐腐蚀性等优异 特点而备受社会各行业关注特点而备受社会各行业关注 尤其在航空航天尤其在航空航天 汽车工业汽车工业 管道交通管道交通 新能源新能源 体育用品等高新技术产业领域的应用越来越多体育用品等高新技术产业领域的应用越来越多 化学回收 能量回收 物理回收 利用化学改性或分解的 方法使废弃物成为可以 回收利用的其他物质 如热解法 热解法是借 鉴塑料 橡胶高温分解 产生有用合成物的回收 方法 将复合材料废弃 物在无氧情况下 加热 分解成为保存能量成份 的热解气和热解油以及 以CaCO3 玻纤为主的 固体副产物 将废弃物粉碎或熔融态 作为原材料使用的方法 该方法生产成本较低 处理方法简单 但采用该 方法需要先判断向废弃 物加入添加剂的种类和 数量 这需要借助实验来 完成 加入废弃物的量 在不影响制品整体性能 的前提条件下才可使用 能量回收是将含有有机物 或者完全为有机物的废弃 物通过焚烧等处理 将燃 烧产生的热量转化为其它 能量的一种回收方法 该方法回收工艺简单 但 成本相对较高 同时因废 弃物在焚烧过程释放出有 毒气体及焚烧后的灰分在 填埋时 会对环境 土壤 造成二次污染 化学回收 物理回收 能量回收 玻璃纤维玻璃纤维 基体基体 填料填料 SMCSMC 剑麻纤维剑麻纤维 FRP废渣废渣 我们的工作我们的工作 研究研究FRP粒径粒径 含量以及表面含量以及表面 处理对处理对SMC制品性能的影响制品性能的影响 最大值出现在废渣最大值出现在废渣 含量为含量为30wt 接触角越大接触角越大 极性越低极性越低 亲油亲油 性越好性越好 与基体的相容性越好与基体的相容性越好 未处理未处理 KH550处理处理 KH570处理处理 植物纤维表面处理有待提高和深入 植物纤维表面处理有待提高和深入 植物纤维复合材料生产设备及测试标准有待提高与完善 植物纤维复合材料生产设备及测试标准有待提高与完善 植物纤维复合材料工艺有待进一步完善植物纤维复合材料工艺有待进一步完善 二次利用废旧塑料二次利用废旧塑料 提高材提高材 料的附加值料的附加值 降低生产成本降低生产成本 开发并拓展植物纤维复合材料的加工助剂 开发并拓展植物纤维复合材料的加工助剂 植物纤维复合材料作为新型材料植物纤维复合材料作为新型材料 因其原料来源广泛因其原料来源广泛 价格低廉价格低廉 且保护环境等特点且保护环境等特点 已成为国内外研究的热点已成为国内外研究的热点 但复合材料在具体但复合材料在具体 的产品生产的产品生产 投入方仍存在一定的困难投入方仍存在一定的困难 目前亟待解决的问题有 目前亟待解决的问题有 植物纤维复合材料的发展趋势及展望植物纤维复合材料的发展趋势及展望 结结 语语

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