■資料來源：SPE 北京分會
前言
在丙烯酸樹脂生物複合材料中，採用木短纖維代替天然纖維氈能夠減少相關的生產成本和循環時間。近年來，對於生產適用於汽車工業、摩擦學工業以及窗戶、門框和戶外家具等方面應用的完全生物基複合材料，已經開展了廣泛的研究工作。這個研究領域特別重要，因為這與合成材料的使用和不可再生資源消耗等環境問題相關。研究表明，用天然纖維填充的複合材料比用玻璃纖維氈增強的複合材料要好。然而，在所得的複合材料中使用天然纖維還存在著許多問題。例如，纖維引起機械性能的變化性，製造部件的質量不均勻，熱穩定性和尺寸穩定性較差，並且最重要的是對聚合物基體粘附性差。
克服挑戰
為了克服這些挑戰，德國巴斯夫公司生產了一種名為Acrodur 的熱固性丙烯酸樹脂。該樹脂體系克服了與天然纖維相關的粘合問題，提高了天然纖維基複合材料的熱穩定性。另外，樹脂是完全生物基的，並且不含甲醛和酚，因此可以滿足汽車、摩擦學和家庭應用的生態性要求。關於Acrodur 的大量研究和應用報告都集中在纖維氈的使用上，但是迄今為止，還沒有文獻描述了直接使用木短纖維（SWFs）與該樹脂製備生物基複合材料。因此，在我們的研究中，我們研究了直接使用SWFs 和Acrodur 950L 生產生物複合材料。 為了製備我們的樣品，我們使用了一種簡單的混合技術（使用捏合設備）和熱壓縮成型。我們的研究與工業相關，因為採用SWFs（代替玻璃纖維）使得成本降低，並且我們的方法是基於使用現有設備的處理技術。此外，通過直接使用（能增強熱固性聚合物交聯的）SWFs，免除了預處理（例如製造纖維氈）的成本。
為了獲得我們的複合材料，我們以不同的比例混合Acrodur 樹脂、水和SWFs（CFF ＆ Co.，Germany）。一旦各組分在捏合裝置中實現均勻分佈，我們將不同的混合物倒入敞開的模具中，並在120℃的烘箱中乾燥材料。然後，我們使用熱壓縮成型來固化乾燥的樣品。為了確定所得複合材料的性能，我們評估了它們的彎曲強度、彎曲模量和動態力學行為。
圖1：在溫度為170℃和壓力為80bar 的條件下，所製備的60wt％ SWF 填充的複合材料斷裂表面的掃描電子顯微照片
關於複合材料
就複合材料的彎曲模量而言（如圖3 所示），我們發現在170℃的溫度和80bar 的壓力下加工所得的含45wt% SWFs 的樣品達到了最高的彎曲模量（8.01GPa）。然而，在170℃和80bar 條件下固化的纖維含量為60wt％的複合材料達到了彎曲強度和模量的最佳組合。另外，這種複合材料的彎曲模量高於無紡纖維填充的Acrodur 複合材料的彎曲模量。有許多因素可以促進這些性能的改善。首先，SWFs 可以在Acrodur 基體中實現更好、更均勻的分散。根據它們的長徑比，SWFs 也被認為能夠更好地促進熱固性樹脂中的交聯。纖維也可能成為複合材料性能的主要貢獻者。因此，希望SWFs 具有更好的彎曲性能（與長木質纖維相比）。最後，我們認為，SWFs 中所含的半纖維素和纖維素在高溫下與樹脂反應形成更複雜的網絡，從而使材料變硬。我們的研究結果表明，在需要良好彎曲模量的應用中，SWF 複合材料可以作為長木質纖維填充複合材料有效替代品。
圖2: 不同纖維含量的木短纖維/ Acrodur 複合材料經處理後（70bar 和150℃或80bar 和170℃）的彎曲強度值SWF：木短纖維。
結論
我們對複合材料熱性能的研究表明，它們在高達100° C 的溫度下表現出非常好的熱機械行為（如圖4所示）。例如，在170℃的溫度和80bar 的壓力下製備的纖維含量為60wt％的複合材料在100℃下顯示出高達2.5GPa 的儲能模量。SWF 含量較低的樣品表現出較低的儲能模量。通常，增加填料的重量分數會導致在整個溫度範圍內儲能模量的增加。我們將我們的複合材料的高儲能模量歸因於基體剛度的提升（即由纖維增強效應引起，並且纖維與基體之間強烈的粘附作用）。
總之，我們已經證明，在丙烯酸樹脂基體中直接使用木短纖維可以達到與用長木質纖維製備的複合材料相當的彎曲性能和熱穩定性。我們發現，在80bar 的壓力和170℃的溫度下加工的含有60wt％ SWFs 的複合材料具有最高的彎曲強度（64MPa）和彎曲模量（7.2GPa）。因此，我們的研究結果表明，該複合材料將適用於汽車、家具、辦公室隔板和天花板的內飾件。例如，就彎曲強度和模量而言，我們的複合材料與FlexForm 和SuperLite（目前在汽車應用中使用）相比是有優勢的。在今後的工作中，我們的目標是更深入地瞭解使用不同尺寸和類型的木纖維的SWF 填充丙烯酸樹脂生物複合材料的彎曲性能和熱機械行為的演變。具體而言，我們希望瞭解纖維- 基體界面的相互作用與機制。我們也正在對這些材料在摩擦學應用中的具體使用進行實驗。■
