1、聚合物材料改性第4章 填充改性及纤维增强复合材料n4.1 填充剂的种类4.2 增强纤维的种类4.3 填充体系性能及填充改性机理4.4 纤维增强复合材料简介一、前言n定义：塑料成型加工过程中加入无机或有机填料的过程n填料：活性填料惰性填料附:填充剂种类二、填充改性效果1、增量降低成本、节约原材料，称增量剂，如PVC中加碳酸钙2、机械性能如果填料未经处理，填料增加，拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、断裂伸长率下降刚性、硬度、尺寸稳定性提高如果将填料经过表面处理，或超细化处理，在一定用量范围内也能提高强度和其他性能 例:赤泥填充量对PVC力学性能的影响3、热变形温度热稳定性导热系数耐燃性 4、成型加工性
2、能(下降)（1）由于填料加入，聚合物粘度增大、流动性能降低、所以在注射成型中会导致模具型腔填充不良，在挤出成型中会造成摩擦发热，应适当控制温度和调整转速。 （2）填料可以促使聚合物结晶时成核，增加高温时的刚性和强度，所以可在较高温度下从模具中取出制品，缩短成型周期 （3）无机填料一般硬度较大，易磨损加工机械，所以应注意定期更换螺杆等部件。填料的加入影响了焊接性能、对此也应引起重视 5、其他性能（功能填料的性能） （1）磁性如果使用铁素体类钡铁氧体、稀土类钴等磁粉末填料，可制成塑料磁铁或磁性塑料，成本比金属磁铁低廉。磁性塑料的磁力强度取决于磁性填料量，填料越多越好，一般为3090。另外填料的结晶
3、形态和取向性能对磁力也有很大的影响。填料晶体形状均匀，且取向性好时，磁场强度也好。 （2）导电性金属粉末、金属纤维、炭黑、碳纤维或表面涂敷金属的玻璃微珠、玻璃纤维等都可以作为导电性填抖。影响导电性能的因素：填料量不同种类的炭黑的影响基质聚合物的影响形状因子的影响（3）压电性所谓压电性是指物质在外力作用下产生或减少电荷，即在改变电压时，物质的形变与电压成比例。 n(4)减振效果n无机物填充剂的减振机理虽然存在许多不明之处,理论上没有确切的定论,但认为其主要减振机理如下:n振动的微晶或结晶层间相互摩擦运动而减振;n界面附近基体分子的收缩、剪切变形运动而减振;n结晶与基体界面的摩擦运动而减振;n增大
4、弹性模量和密度获得减振效果。n减振效果是由上述各项的复合作用达到的。n(5)导热性n对于电子部件,例如半导体的密封材料或线路板等要求用导热性优异的素材制造这些材料不需要像金属和碳那样的导电性而要求高电绝缘性和高导热性。因此,对于这些材料可在高分子中添加非导电性且导热性高的无机物制造。适应于该类材料的无机物主要有BeO(氧化铍)、AlN(氮化铝)、BN(一氮化硼)、Al2O3(三氧化二铝)等。其中BeO的毒性大,因此可使用AlN或Al2O3。n(6)轻质、绝热n轻质塑料空心微珠填充于橡胶和塑料基体中,不仅用于制造轻质材料,还大量用于制造绝热性非常优异的材料。该空心微珠在触变性、切削加工性和抗冲击
5、性等方面也具有高应用价值。此外,该轻质空心微珠和玻璃微珠一样大致呈圆球状而且表面光滑,添加到塑料基体中具有粘度提高小、填充加工性能好、对复合材料物性不给予各向异性的优点。n(7) 滑动性n为使橡胶和塑料获得滑动性能,除浸油法外,添加固体润滑剂的方法也较多采用。滑动材料需要有润滑性,同时还要有耐磨耗性和一定的机械强度。按情况不同有时也需要耐热性。因此,在设计滑动材料时,除添加固体润滑剂外还要添加补强填充剂。固体润滑剂与补强剂的组合和配比是制造滑动性材料的重要技术秘密n(8) 其他功能性n与橡胶有一定关系的功能性填充剂还有X射线防护剂。该种防护剂一般使用原子量较大的物质例如铅。X射线防护材料多为在
6、橡胶或塑料中添加铅粉制成X射线防护胶片和胶板使用。X射线防护材料除使用铅粉外还可使用硫酸钡等。n光学功能性填充剂主要使用可使光漫反射的玻璃珠,最近还使用新开发的高折射率玻璃珠。添加光学功能性填充剂的橡胶或塑料主要用于陆路和水路交通标志等与夜间交通有关的方面。另外,光学功能性填充剂还用于制造汽车涂料、塔尖、按钮等方面,也是利用其光的反射、散射效应。例如,在高分子基体中填充经特殊处理氧化钛、微粒状云母、铝箔等,制做由雷利散射效应或干扰效应产生色彩效果的装饰品。n 另外,以远红外辐射为目的的高分子薄膜和片材等,近年在促进植物生长、熟成果实和酒类、促进发酵、人体保暖等方面也得到相当广泛的应用。这些材料
7、使用的功能性填充剂有氧化锆、氧化铝、二氧化钛、氧化镁和二氧化硅类无机物,而具有吸收1000cm-1的强红外线辐射的物质效果较好。此外,MnO260%Fe2O320%CuO10%CoO10%的烧结体作为远红外辐射材料可以说非常优异。利用远红外辐射效应的主要产品是农用薄膜,使用的填充剂一般多为镁化合物以及二氧化硅。n除上述功能性填充剂外,利用吸附功能和缓释放功能的填充剂的应用也有所增加例如,在橡胶、塑料等高分子基体中填充经过浸渍或被覆芳香剂的化合物的制品也常常见到。包合化合物和夹层化合物是今后有待发展的功能性填充剂素材。三、影响填充改性的因素 1填充剂物理性质的影响n填充剂物理性质一般包括粒子的形
8、状、大小和表面性质等。n（1）不同形状的填充剂的影响n（2）填料的粒径n（3）填料的表面 纤维状、薄片状填料对复合材料的机械强度有利、但对加工性能不利；圆球状填料对复合材料加工性能有利，但力学性能较差；其他块状、棒状、不规则填料影响效果根据具体情况而定。 （1）不同形状的填充剂的影响（2）填料的粒径在一定用量范围内，填料的粒径越小，则复合材料的力学性能越好，但粒径太细造成生产成本提高。填充剂粒径越细，表面积越大，聚合物分子对填充剂的吸附作用越大（因接触面积大）。在相同填充剂用量下，粒子越细，活化能越高，树脂与填充剂界面结合得就越牢。粒子越细，对制品的刚性、冲击强度、抗张强度、尺寸稳定性和外观等
9、改进越大。填充剂的粒径分布会影响它在填充体系中的分布，粒径分布宽时，在填充体系中分布不均匀，从而影响填充体系的性能。 填料表面的物理结构很复杂，粒子与粒子之间千差万别，其表面化学结构也不尽相同，尤其是表面官能团的存在，对树脂的影响也就不同。为提高其粘接力，常用表面活性剂（如脂肪盐等）或偶联剂（硅烷类、钛酸酯类）进行处理，复合材料性能可大幅度提高。 （3）填料的表面经化学改性的部分矿物的应用和功能 矿物 主要应用 主要功能 氢氧化铝 碳酸钙 高岭土 硅灰石 云母 石英粉 滑石 有机粘土 电线,电缆,PVC,EPDM PVC管 轮胎,EPDM,电线,电缆 尼龙 聚烯烃 环氧树脂的磨铸料 工业橡胶
10、涂料 阻燃,改善工艺性能 提高填充料 颜色代用品,电性能 改善物理性能,代替玻纤 改善物理性能 电性能 改善物理性能 改善分散性,触变性等 填料粒子的表面化学结构与内部结构不尽相同，尤其是表面官能团存在，和空气中的氧和水反应，差别更大。 2填充剂的化学性质对填充体系的影响大量加入填充剂会使加工性能和制品表面状况下降，也影响制品性能。一般情况加入量 为塑料组成的40以下3.填充剂的用量对填充体系的影响总之，填充剂的种类，规格和加入量要选择适当。一般对填充剂的要求是分散性好、吸油量小，对聚合物及其它助剂呈惰性，对加工性能无严重损害，对设备无严重磨损，以及不影响制品的性能和外观（如不因分解或吸湿使制
11、品产生气泡等）。由于基质树脂、填料、添加剂的种类繁多，所以必须根据其各自的特征选择相宜的工艺过程。另选用混炼效果好的双螺杆挤出机，对填充改性效果较佳。 4工艺条件及设备四、塑料填充改性实例 1、提高填充剂与塑料的结合能力的方法塑料填充改性主要目的是提高材料的刚性、硬度和耐热性，同时又可提高制品的尺寸稳定性和耐蠕变性并使成型收缩率减小。常用的无机填料如碳酸钙、滑石粉、云母、硅灰石等，其表面活性基团少，填料与塑料界面粘附能力差，导致材料力学性能差。为了提高填料与树脂的亲和能力，需要对填充剂进行活化处理，或对某些非极性塑料如聚乙烯和聚丙烯进行接枝改性。提高填料与塑料的结合能力的方法有：n（1）表面活
12、性处理 n（2）偶联剂处理 n（3）使用复合填料 n（4）基体（塑料）改性n（5）偶联剂极性接枝PP n（6）高聚物单体预处理 2、滑石粉填充PP 聚丙烯用滑石粉进行填充改性，可提高制品的刚性、热变形温度、尺寸稳定性、硬度、耐蠕变等。但冲击强度和扯断伸长率有所下降，而且物料的熔体粘度增加、成型性变差。为解决由于加入滑石粉带来的缺点，一般采用钛酸脂、硅烷偶联剂进行表面处理，以改进聚丙烯与填料之间的相容性，或采用共混增韧技术提高其冲击强度。目前，滑石粉填充聚丙烯主要用作取暖及空调机的外壳、空气过滤器外壳、风扇罩、风扇、汽车水箱等。 （1）钛酸酯偶联剂对填充体系流动性的影响（2）对热变形温度的影响
13、（3）三元乙丙橡胶增韧PPTa1c共混体系 3、云母填充PP n云母填充豪丙烯材料具有高模量、不翘曲、尺寸稳定、热变形温度高和电性能优良等特点，被广泛用作汽车、家电、仪表等领域的结构材料 n（1）偶联剂对材料力学性能 n（2）云母PP体系的增韧 附1 无机粉体填充改性塑料加工中的关键技术n1 无机粉体的选择n1)品种n可用于塑料填充改性的无机粉体种类很多，常见的有：重质碳酸钙、轻质碳酸钙、滑石粉、高岭土、硅灰石粉、云母粉、水镁石粉、氢氧化铝和氢氧化镁粉等，品种不同，功能也不同。其中水镁石粉、氢氧化铝和氢氧化镁粉具有阻燃消烟功能；滑石粉可提高塑料刚性和耐热性，与碳酸钙配合使用将产生良好的协同效果
14、，应用于农膜中可增加光的散射作用和透光率，并对725微米 波长的红外光具有阻隔作用；高岭土填充到PVC电缆料中可明显提高电缆护套的绝缘性能，用于农膜中具有良好的阻隔红外线功能，而且优于滑石粉，但透光率不如滑石粉好；硅灰石粉具有较大长径比，最大可达15：1，作为增强剂可用于替代部分玻璃纤维，与含卤有机阻燃剂配合使用，具有协同作用，可以提高制品的阻燃效果；云母粉呈片状晶形，径厚比大，除具有补强作用外，还可提高塑料的刚性、耐热性和尺寸的稳定性，云母粉的透光率比其它任何无机粉体都好，并有阻隔红外线功能，被广泛应用于大棚膜中。如果从减量化、资源化、有利环保和降低成本考虑，在众多无机粉体中当属于重质碳酸钙
15、，其白度高、资源丰富、易加工、价格低；其次是轻质碳酸钙。这两种碳酸钙在填充改性塑料中用量最大，所涉及的塑料制品也最多。n2)粒径与分布n理论上无机粉体的粒径越小，比表面积越大，粒子的内聚能越高，越容易团聚，填充到塑料中不易分散，相反会使材料的力学性能下降。n2 粉体表面活化处理剂与处理技术n3 润滑剂的合理使用n生产无机粉体填充母粒都需要加入一定量的润滑剂。润滑剂的作用一方面有利于无机粉体的分散，使无机粒子更好地均匀分散到载体树脂中，另一方面降低螺杆扭矩，便于加工。另外，润滑剂也有利于母粒在基体树脂中的分散和塑料制品的加工成型n合理使用润滑剂对填充母粒的加工和性能影响较大。润滑剂的熔点或软化点
16、一般比载体树脂熔融温度低40 60 为宜。二者相差过大会降低螺杆的剪切力，不利于无机粉体的分散，而且在造粒过程中易挥发污染环境；二者相差太少，发挥不了润滑剂的作用，最好选熔点或软化相差10 20 不同种润滑剂混合使用效果更好。总的用量为无机粉体质量的3 4为宜。n4 载体树脂的使用n用作载体树脂首先应具备两个条件：其一熔体流动速率要大，只有大有熔体速率的树脂，熔体流动性好，才能更好地包覆无机粉体粒子。树脂的熔体速率与树脂的力学性能成反比，所以载体树脂的熔体流动速率又不能太大，否则影响最终制品的力学性能，一般以8 12g10min为宜。其二，载体树脂与基体相容性要好，否则载体树脂无法将母粒中的无
17、机粉体均匀地分散到基体树脂中，最终制品中将会出现两相分离现象，会严重影响制品的力学性能。n载体树脂的用量要适中，切不可为降低成本而过分减少载体树脂的用量。载体树脂的用量过少，无法将所有的无机粉体粒子完全包覆，因而也就起不到载体树脂的作用。用量也不宜过多，过多一方面不但无机粉体的包覆，另一方面因载体树脂的力学性能差，而影响最终制品的质量。一般为母粒质量的l2 l4% 为宜。无机粉体的粒径越小，载体树脂的用量也应相对增加。附2：粉体表面改性/处理技术n概念：通过物理、化学、物理化学等方法对粉体物料表面进行处理，根据需要有目的地改变粉体表面的物理化学性质，如表面晶体结构，官能团，表面能，表面润湿性，
18、电性，表面吸附和反应特性等n目的：降成本，改善性能n研究内容表面改性的原理和方法表面改性剂表面改性工艺与设备改性过程的控制与产品检测技术粉体的表面与界面性质及测定方法n比表面积n表面能n表面官能团n表面润湿性n表面电性n润湿接触角n活化指数n固体表面能/表面张力n表面结构和成分n表面包敷量/包敷率n比表面积表面结构和成分n低能电子衍射n反射式高能电子衍射n显微技术，如SEM，TEM，STMnX-射线光电子能谱n离子中和谱n电子能量损失谱n红外光声谱n非弹性电子隧道谱n表面增强拉曼散射谱n衰减全反射谱n红外反射吸收谱n热脱附谱n俄歇电子能谱n出现电势谱n卢瑟福背散射谱n二次离子质谱n电子顺磁共振
19、n核磁共振n穆斯堡尔谱粉体改性的方法n涂敷改性（颗粒形状，比表面积，空隙率，涂敷剂种类和用量，涂敷工艺）n表面化学改性（颗粒表面性质，表面改性剂种类、用量及用法，设备和工艺参数）n沉淀反应改性（浆液的pH，浓度，反应温度和时间，颗粒粒径、形状及后续处理工艺）n胶囊化改性（化学方法，物理化学方法，机械物理方法）n机械化学改性n其他表面改性方法（高能改性，酸碱处理等）胶囊化方法（3类14种）n化学方法：界面聚合法、局部聚合法（表面或界面化学反应法）、在液相中硬化覆盖层法n物理化学方法：水溶液的相分离方法（单纯凝聚或复合凝聚法）、有机溶液的相分离方法（界面析出，界面浓缩，温度变化法）、液相干燥法（界
20、面沉淀，界面硬化反应，二次胶乳法等）、融解分散冷却法（喷雾凝固造粒，凝固造粒）、内包物交换法、粉粒床法（液滴法，凝胶法，乳胶法等）n机械物理方法：气相悬浮覆盖法（流态化床法）、无机物表面胶囊化（摩擦研磨法，胶体法，加热硬化法）、真空镀膜覆盖法、静电法、喷雾凝固干燥法表面改性剂n偶联剂（两性结构物质，如硅烷类、钛酸酯类、锆铝酸盐及其络合物）n表面活性剂（双亲结构物质，阴/阳离子型，非离子型）n有机聚合物（与高聚物具有相同或相似结构）n不饱和有机酸（对含有碱金属离子的无机矿物填料进行表面处理效果好）n超分散剂（结构含性能不同的两部分）n金属氧化物及其盐n有机硅n丙烯酸树脂纤维增强复合材料n纤维增强
21、复合材料(FRP)，也称之为纤维增强聚合物或纤维增强塑料，是一种新型复合材料，主要由高性能纤维、聚酯基、乙烯基或环氧树脂组成。常见的FRP包括玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)、芳纶纤维增强塑料(AFRP)。由于FRP具有高强、轻质、耐腐蚀、非磁性、耐疲劳等优点，近年来在结构加固及改造工程中被认为是最有前途的结构加固材料而广泛地加以应用。n参考:朱梦君，刘宏伟,纤维增强复合材料(FRP)的研究与应用,淮海 工 学 院学报,2002,11(3):65n1无机纤维2有机纤维3天然纤维4金属纤维 n玻璃纤维聚芳酰胺纤维碳纤维n1 无机纤维n11 玻璃纤维n玻璃纤维增强复合材料是
22、一种开发较早、应用较广的复合材料，其拉伸、弯曲、冲击强度及刚度都较大。n12 碳纤维n具有较高的强度与模量，它与树脂的润湿性、粘附性较差，在制备复合材料前，须对纤维进行表面活化处理。碳纤维增强复合材料是一种强度、刚度、耐热性均较好的复合材料。n13 硼纤维n一种高强高模纤维，可用来增强树脂和金属。硼纤维增强环氧树脂复合材料是高强高模纤维增强塑料中性能最好的一种复合材料。n14 碳化硅纤维n拉伸强度大，模量高，耐热性好，可耐1250oC的高温，相容性好，能以短纤维、纱、布、毡等形式与金属、塑料、陶瓷复合。碳化硅纤维树脂基复合材料的抗压、抗冲击强度及耐磨性优于碳纤维复合材料。n2 合成纤维n21
23、芳香族聚酰胺纤维n最大特点是低密度、高强度、高模量、耐高温，与树脂粘结性好，能制成长丝、粗纱和织物。它所增强的复合材料的拉伸强度优于玻璃纤维和碳纤维增强材料，弹性模量是玻璃纤维增强材料的2倍，但低于碳纤维增强材料。n22 超高模量聚乙烯纤维n具有极高的强度，具有化学稳定性、生物适应性好和低密度优点，但在用于复合材料时受粘着性差的限制，必须经过等离子体烧蚀、辐射-诱导接枝等不同方法的表面改性处理。n23 混杂纤维n混杂纤维增强指两种短纤维混杂或两种长丝单向增强，也可以是两种不同纤维组成的包芯复合纱作增强材料，然后再与一种树脂基体复合。包芯复合纱可以是玻璃纤维聚酯纤维、碳纤维聚醚醚酮纤维、碳纤维液
24、晶聚合物纤维等。混杂纤维增强复合材料除了单一纤维特点外，还有一些特殊的性能，可满足不同的应用需要。n3 天然纤维n可作增强基的天然植物纤维的种类很多，主要有：木材、棉纤维、麻纤维、椰纤维、竹纤维等纤维素纤维以及常见的茎秆类纤维，如：稻草、麦秆、玉米秆、高梁秆、麻秆、向日葵秆、棉花秆、烟秆、小米秆、黄豆秆等等。n参考:张 伏等，植物纤维及其增强复合材料的研究进展,农业工程学报,2006,22(10):252n倪敬达，于湖生,天然植物纤维增强复合材料的研究应用,化纤与纺织技术,2006,(2):29n粱小波 杨桂成 曾汉民,剑麻纤维增强复合材料的研究进展,材料导报,2005,19(2):63n19
25、36年美国发明了集束拉丝法来生产金属纤维，30多年后用这种方法生产的微米级纤维才达到商业应用水平。20世纪70年代后期，有机和无机纤维无法满足工业迅速发展的需要，发达国家开始投入大量人力物力研究金属纤维制造方法及其应 制品，目前全世界金属纤维的生产技术只被几个公司所掌握，金属纤维由于其独特的优异性能如良好的导电性、导热性、耐磨性以及强度高、弹性模量高等优点而迅速发展，得到广 泛的应用。n1 金属纤维的制备 金属纤维的制造方法主要有二种：熔抽法，拉拔法和切削法。n1 熔抽法 n熔抽法的基本原理是将金属加热到熔融状态，再通过一定的装置将熔液喷出或甩出而形成金属纤维。熔抽法既可制取短纤维也可制取长纤
26、维，纤维当量直径最小可达25微米。熔抽法加工的钢纤维与基体有较好的结合强度，常用于增强混凝十等，但工艺和技术要求高，加工设备较复杂，抗拉强度低，一般只有380MPan2 拉拔法n拉拔法分单根拉拔和集束拉拔两种。单根拉拔法得到的金属纤维尺寸精确，但成本高，主要用于某些特殊领域，如高精度筛网等。集束拉拔是把上万根金属线包在外包材料里，经过多级拉丝模进行连续拉拔，根据需要中间可设置热处理等工艺。集束拉拔法制备工艺复杂，拉拔、热处理过程中的任何参数变化都对纤维质量产生影响，使其性能发生变化，目前主要用于不锈钢纤维的生产，最小当量直径可达4 微米。拉拔法生产的不锈钢纤维抗拉强度很高，可达2000MPa，
27、但延伸率低；拉拔法也不适于脆性材料如铸铁等的加工；且由于其产品表面光滑，与基体结合强度不高。n13 切削法n切削法是目前使片j最广泛的金属纤维制造方法，制造的金属纤维产品种类齐全，适用面广。切削法既可制取短纤维也可制作长纤维，设备简单，成本低廉，适用于不同材质的金属如低碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝及其合金等的幺千维加上。切削法按切削方式不同又可分为铣削法、刮削法、约束成型剪切法、车削法。铣削法是用螺旋齿圆柱铣刀铣削低碳钢钢板，刮削法利用具有一定形状的刮刀刮削钢丝形成连续的金属纤维，剪切法是利用动剪刀片和静剪刀片剪切薄钢板而得到异型钢纤维。车削法包括卷材车削法、旋转切削法、振动切削法等，其中以振动
28、切削法为代表。振动切削法是利朋弹性刀具在切削过程中产生自激振动进行切削，激振频率一般在5005000Hz之间，刀具每一个振动周期形成一根纤维，纤维直径在20150微米之间，长度为刀具的有效宽度。n振动切削法是制取金属短纤维最有效、最成熟的方法，适用于各种材质，但该方法对机床振动较人，刀具在切削过 中随很大的压力和冲击力，容易破损。存在问题n(1)基础性研究较多，研究内容较窄。对于FRP的使用主要集中在FRP片材补强加固建筑结构方面，对于桥梁、隧道、机场、码头、公路、铁路、民用建筑、构筑物等方面的研究应用开展不多。n(2)FRP片材、板材补强加固技术仍有许多研究工作要开展。如FRP外贴混凝土梁的
29、抗弯、抗剪破坏机理研究；延性评估；疲劳性能研究；裂缝问题；长期使用性能。n(3)FRP施工质量问题控制和专业化施工队伍的建设。FRP加固结构时，施工显得特别重要，若施工质量无法保证，加固效果会大打折扣。n(4)主要原材料仍依赖进口，国产化是当务之急。就以PAN 为例，由于价格太高，在今后一段时间内，估计还难于投入实际的应用，但有一种石油或煤沥青制造的低模量、低强度的沥青基碳纤维(弹性模量约3810 MPa，抗拉强度约780 MPa)，尽管性能较PAN为差但价格仅为其110，而且具有在高碱水泥基材料中强度不下降、对人体无害的特点，估计不久的将来可广泛地用来作为水泥基材料的加筋纤维。发展趋势n1
30、发展植物纤维编织及混杂工艺，提高植物纤维复合材料性能n2 通过植物纤维复合材料结构优化设计，达到最佳的性价比n3 采用适宜改性方法，提高植物纤维与树脂间的相容性n4 提高植物纤维复合材料的生物降解性能纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料 n纤维增强陶瓷基复合材料是以纤维作增强体，把纤维增强陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起而组成的材料的总称。这类复合材料具有高强度、高韧性、优异的热稳定性和化学稳定性，是一类新型结构材料。 作为增强用的纤维有金属纤维（如钨丝、钽丝、钼丝等）、玻璃纤维和陶瓷纤维（如碳、碳化硅、氧化铝、氧化锆等纤维）；而陶瓷基本由氧化物基（如氧化铝、氧化锆等）和非氧化物基
31、（如碳、碳化物、硼化物、氮化物等）组成。 在选择纤维和陶瓷基体时要注意性能的匹配，如纤维必须和陶瓷一样具有耐高温性能，纤维的热膨胀系数应稍大于陶瓷基体。 纤维增强陶瓷基复合材料已应用的领域和即将应用的领域有刀具、滑动构件、航空航天部件、发动机零件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造超高速列车的制动件。由于这种材料具有优异的耐摩擦性能和耐磨损性能，使用效果令人满意。 经过纤维增强的陶瓷，无论在抗机械冲击性，还是在抗热冲击性方面，都有了极大的提高，这在很大程度上克服了陶瓷的脆性，同时又保持了陶瓷原有的许多优异性能。这种打不破的陶瓷目前虽只是初露端倪，但将来肯定有着广阔的发展前景
32、。纤维增强复合材料在体育器材上的应用n质轻(多数体育器材是靠人力来使其运动，因此要求器材越轻越好，如网球拍、高尔夫球杆、自行车、滑雪板、皮划艇、撑竿等)n优异的力学性能(强度、韧性、弹性等力学性能是体育器材使用过程中所要考虑的重要方面，纤维增强复合材料具有突出的比强度、比模量和比弹性模量，更适合于用作体育器材。复合材料具有良好的阻尼减震性能也是其作为体育器材原料的原因之一)n良好的加工成型性能，可设计性强n其他方面(卫生性是要求材料在使用过程中不散发有害、有毒或难闻的气味，是提高运动员舒适性的一个重要指标。性价比是研发者需要重视的一个原则，性能好但价格昂贵的产品只能在高级别的运动比赛中使用，普
33、通消费者望而却步)滑雪运动中，滑雪板关系到运动员的生命安全和运动成绩，而滑雪板的结构和材料比较复杂。多年来，滑雪板的轻量化、改善减震性能、提高耐疲劳寿命和回转特性是人们一直关注的问题。80年代以来，随着玻璃纤维及碳纤维等复合材料的使用，人们制造出了性能优异的滑雪板。n木塑复合材料及其研究进展n木材源于可再生资源，系由纤维素、半纤维素、木质素和其他有机物质组成的一种多孔性复合材料。作为工业材料，其环境协调性很好，在国民经济中起着十分重要的作用。但木材存在易腐、易燃、易受虫蛀、绝对强度低、易吸水、吸潮并引起较大尺寸变形等缺点，这在很大程度上限制了其应用。近年来，全球的森林资源日趋枯竭、社会环保意识
34、日见高涨，同时对木材的应用也提出了更高的要求。在这种背景下，一种将木材与塑料通过复合而制得的新材料木塑复合材料(Wood plastics composites，简称WPC)受到了人们的广泛关注nWPC是一种新型绿色环保型复合材料，是木材或木质材料与塑料通过不同的复合手段所形成的一种复合材料。但是，随着WPC研究进展，其主要的原料组成已不仅限于木材或木质材料，其他木质纤维素纤维材料也逐步进入WPC研究范围。因此，从广义上讲，木塑复合材料已成为以各种木质纤维素纤维材料为填料，与各种不同塑料复合而形成的一类新型复合材料。各种木质纤维素纤维材料和塑料有机结合，使WPC既具有木质纤维素纤维材料的高强度
35、和高弹性，又具有塑料的高韧性和耐疲劳等优点，是一种既似木材又优于木材的新型代木材料。基材塑料可采用工业、 或生活废弃的各种塑料，木质粉料可采用木材加工的下脚料、小径材以及低品质木材加工得到，也可采用麦秸、棉秆、亚麻秆、稻壳等加工而成， 因此，WPC的研制和广泛应用可以减少塑料废弃物的公害污染，也可以减少农业废弃物焚烧给环境带来的污染。WPC生产和使用不会挥发危害环境的物质，还可以进行二次利用，因此，它是一种全新的绿色环保产品，也是一种生态洁净的复合材料。1木塑复合材料界面相容性的改善n木材表面有丰富的极性基团羟基，表现为亲水性；而塑料表面是非极性的，表现为憎水性n11物理方法n物理方法主要包括
36、加热烘干、蒸气喷发和放电处理等。n加热烘干法是处理木材最常见的方法。这种基于半纤维素热降解和木质素的重排方法，使得木材表面羟基含量降低，有利于其与塑料的粘结。但是半纤维素的移除，也使得胞壁结构不稳定，且高温也会导致木材发生各项异性收缩，破裂，甚至胞壁结构的破坏。n蒸气喷发是处理木材的一种新方法，该方法通过引起木材的形态和结构变化，使木材的胞壁破坏，从而增加木材强度和表面积。n放电处理包括低温等离子处理、离子溅射法和电晕放电法。用低温等离子轰击木材表面，可增大木材表面的极性，从而提高其与塑料的粘结性能； 电晕放电法通过对木材表面的蚀刻作用，形成了力学咬合力，可改变木材的表面势能。n12化学方法n
37、化学方法是工业生产中最常用的方法。此方法是通过化学反应减少木材表面羟基数目，在木材塑料之间建立物理和化学键交联，通过在木材表面形成一层憎水性薄膜从而提高其与塑料的相容性和促进木材的均匀分散。目前，常采用偶联剂、增容剂等对木材进行表面改性。n121偶联剂n采用偶联剂处理木材是一种简单有效的方法。偶联剂起“分子桥”的作用，在木材和塑料之间形成共价键或络合键。一方面，偶联剂与木材羟基中的氧键合，减少了木材表面的羟基数目，从而提高木材的疏水性，降低其表面张力；另一方面，偶联剂与塑料基体存在一定的物理作用。目前，有超过40种用于制备木塑复合材料的偶联剂。这些偶联剂可分为3类：有机、无机、有机和无机杂化。
38、有机偶联剂包括异氰酸盐、酸酐、酰胺、酰亚胺、环氧化物、丙烯酸盐、有机酸等；无机偶联剂只有很少的一部分，如硅酸盐。n木塑复合材料中最常用的偶联剂为有机类的硅烷偶联剂、钛酸盐偶联剂、异氰酸盐偶联剂等。n122增容剂n在各种表面改性方法中，直接加入官能化聚烯烃增容剂的方法是最为方便和有效的。主要的官能团单体有马来酸酐(MA)、丙烯酸(AA)、缩水甘油基甲基丙烯酸(GMA)等，目前，各种接枝改性聚烯烃共聚物已有系列商品化产品。在制备木塑复合材料过程中，通常是将木材进行预先烘干处理或采用偶联剂进行表面有机化处理，然后将处理后的木材、增容剂和聚合物在挤出机中进行熔融共混。在熔融温度下，增容剂官能团与木材表
39、面的羟基发生反应，增容剂另一端的非极性分子链与塑料发生缠结，增容剂起到搭桥的作用，增大了木材与塑料之间的相互作用力，从而提高了复合材料的力学性能和尺寸稳定性。2 木塑复合材料的加工工艺工艺配方(wt% )n填充料5060n母料20 3On添加剂I 25n添加剂II 25工艺要求n第一步将天然纤维原料进行粉碎，要求纤维长度不大于5mm；将回收的PVC、PPC料粉碎熔化，加入适量添加剂I制成颗粒状。n第二步将母料、填充料、调色剂和添加剂II按一定的比例混合搅拌，要求混合均匀。n第三步混合料加入加热釜，温度在l70180范围，要求加热过程反复挤压使材质分布均匀。n第四步成型加工按成材的要求可加工成板
40、材、棒料、方料、曲料等。一般板材用辊轧法成型，棒料、方料用挤压法成型，弯曲复杂形状的用模压法成型。主要设备n粉碎机一台、混合搅拌机一台、螺旋挤压机一台、辊轧机、模压机各一台；剪切机一台、输送机及辅件一套。3 木塑复合材料的性能n(1)用木材作为填料可以改善塑料的耐热性和塑料的强度，而且木材的价格便宜；与无机填料相比，木材的密度较低，在改善拉伸强度和弯曲模量上，增强的木材有很大的潜力；n(2)对于相同体积的复合材料，以木材为填料的复合材料成本较低，对设备的磨损小，并且可以再生利用；n(3)具有较低的吸水、吸湿性能，不需要保护性防水涂饰，同时材料可以根据需要染色或者涂饰；n(4)在抗裂纹、霉菌、白
41、蚁方面的能力优于木材，此种复合材料和木材一样都可生物降解；n(5)可以像木材一样被加工或者连接；n(6)可以通过挤出或模压等方式加工成板材等许多复杂形状的制品，同时具有高效的原料转化率和自身循环利用率。优点n(1)密度高，通常为木材的24倍；n(2)产品的安装费用相对较高(由于复合材料的密度较大，在组装时需要使用射钉枪或自攻螺钉)；n(3)耐热性和耐紫外线能力较差；n(4)制品的硬度和载荷能力较木材差 。缺点4木塑复合材料的发展前景木塑复合材料拥有很多的优点，但也存在着耐热性不好、冲击强度小、密度大等缺点。这些缺点限制了木塑复合材料的应用范围。为了提高复合材料的性能，目前针对该类材料的研究方向主要集中在以下几个方面：n(1)减小WPC的密度；n(2)研究开发适宜于生产WPC复合材料的生产设备；n(3)生产高木材填充量的WPC，以降低复合材料的成本；n(4)拓宽使用回收树脂木材复合材料的应用领域和回收树脂的种类。
