优化亚麻–SAN复合材料制造以增强力学和热学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Optimization of Flax–SAN Composite Manufacturing for Enhanced Mechanical and Thermal Performance

　　

研究人员系统研究了基于苯乙烯-丙烯腈(SAN)基体的亚麻纤维(FF)和混合亚麻/玻璃纤维切边(FF/GF)复合材料的加工-结构-性能关系。采用田口(Taguchi)实验设计结合信噪比(S/N)和方差分析(ANOVA)来优化压缩模塑参数。加工温度被确定为控制复合材料力学性能的主导因素。最佳加工条件(200 °C, 10 min, 7 MPa)产生了最佳综合性能，实现了10.7 GPa的弯曲模量、139.8 MPa的弯曲强度和最高的层间剪切强度(ILSS)。X射线显微断层扫描(XRM)和显微镜观察揭示，不足的加工温度导致聚合物浸渍不完全，而过高的温度则导致复合材料力学性能恶化。混合FF/GF层压板表现出显著更高的夏比(Charpy)冲击韧性，但刚度低于全亚麻复合材料。动态力学分析(DMA)显示所有复合材料的玻璃化转变温度(T_g)相似(≈128 °C)。这些发现表明，优化压缩模塑参数显著提高了FF/SAN复合材料的性能，突出了它们作为半结构应用可持续材料的潜力。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

纤维增强复合材料因其高比强度、高比刚度及轻质特性，在汽车、船舶和航空航天等对减重有严格要求的领域不可或缺。然而，传统合成纤维（如玻璃纤维GF、碳纤维CF）存在生产成本高、制造能耗大、不可生物降解等环境和经济问题，促使学术界寻求可持续的生物基替代品。亚麻纤维(FF)凭借低密度、高比刚度、可再生性和成本效益，成为替代玻璃纤维用于半结构应用的理想候选材料。在热塑性基体方面，苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)具有光学透明性、刚性、尺寸稳定性和优异的耐化学性，但鲜有研究将其与亚麻纤维结合。此外，压缩模塑工艺参数（温度、保压时间、压力）对热塑性复合材料的浸渍质量和力学性能至关重要，但针对亚麻/SAN系统的加工窗口和加工-结构-性能关系尚属空白。为解决上述问题，本研究旨在系统优化压缩模塑参数，建立多尺度表征与力学性能之间的关联，并评估引入玻璃纤维切边废料进行混杂化对整体性能的影响。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**关键技术与方法**

研究人员采用田口(Taguchi)L9(3³)正交实验设计，结合信噪比(S/N)和方差分析(ANOVA)对压缩模塑参数（温度：180/200/220 °C，时间：5/10/15 min，压力：3/5/7 MPa）进行优化。通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)确定聚合物熔融窗口和热降解上限。力学性能评估包括三点弯曲、拉伸、层间剪切强度(ILSS)、夏比(Charpy)冲击和动态力学分析(DMA)。利用X射线显微断层扫描(XRM)和光学显微镜观察内部微观结构、孔隙率及断裂机制。亚麻/SAN半预浸料（Tecatec SAN NAF45 T300 CP V01）由Ensinger GmbH（德国）提供，玻璃纤维切边废料由PodComp AB（瑞典）提供。

**研究结果**

**3.1 优化过程**
通过DSC确定SAN的玻璃化转变温度(T_g)约110 °C，TGA显示亚麻/SAN复合材料在5%失重温度(T_5%)为273 °C，设定加工温度范围为180–220 °C。田口实验和ANOVA表明，温度是影响弯曲模量和弯曲强度的主导因素（η_p²接近1），而时间和压力影响较小。最佳综合参数为200 °C、10 min、7 MPa，获得弯曲模量10.7 GPa和弯曲强度139.8 MPa，优于其他组合。

**3.2 弯曲行为**
Comp.200（200 °C）表现出最高弯曲模量（10.7 GPa）和强度（140 MPa）；Comp.180（180 °C）因浸渍不充分导致模量较低（8.2 GPa）；Comp.220（220 °C）因纤维热降解使强度下降约23.6%（107 MPa）。XRM显示Comp.200孔隙率最低（4.8%），Comp.180最高（9.0%），Comp.220为5.4%，但纤维劣化主导了强度损失。混合FF/GF复合材料模量（10.2 GPa）和强度（121 MPa）均低于Comp.200。

**3.3 拉伸性能**
Comp.200拉伸模量最高（13.78 GPa），拉伸强度与Comp.180相当（97.9 vs 96.7 MPa），但Comp.220因纤维降解导致强度（57.8 MPa）和断裂伸长率（0.47%）大幅下降。XRM和光学显微镜显示Comp.220界面分离严重，而Comp.180和Comp.200具有纤维拔出现象。混合FF/GF复合材料拉伸强度（91.5 MPa）和模量（12.79 GPa）较低，但断裂伸长率（1.39%）较高，且出现层间脱粘。

**3.4 层间剪切强度**
Comp.200的ILSS最高（15.27 MPa），表明最优界面结合；Comp.180（13.34 MPa）和Comp.220（13.22 MPa）因浸渍不足或纤维降解而性能下降。混合FF/GF复合材料ILSS（13.35 MPa）与Comp.180相当，但低于Comp.200，归因于玻璃纤维层与亚麻层之间的界面不匹配。

**3.5 夏比冲击能量**
Comp.180冲击韧性最高（30.12 kJ/m2），Comp.200次之（19.45 kJ/m2），Comp.220最低（6.07 kJ/m2），表明纤维降解导致脆性断裂。混合FF/GF复合材料冲击能量（64.15 kJ/m2）约为Comp.200的三倍，主要得益于玻璃纤维层引发的裂纹偏转、界面脱粘和纤维断裂等多重耗能机制。

**3.6 粘弹性行为**
DMA显示储能模量随加工温度升高而增加（Comp.220为5.8 GPa，Comp.180为4.6 GPa），但Comp.220的静态力学性能较差，表明DMA反映的是小应变下的弹性刚度，而非抗损伤能力。所有复合材料的T_g相近（≈128 °C），高于纯SAN，表明纤维限制了分子链运动。混合FF/GF复合材料储能模量最低（4.3 GPa）。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，加工温度对性能的双重影响：温度过低导致聚合物粘度高、浸渍不完全，孔隙率高；温度过高则引发亚麻纤维中纤维素、半纤维素和木质素的热降解，削弱纤维完整性和界面结合。200 °C是平衡浸渍质量与纤维保存的最佳温度。混合FF/GF复合材料通过玻璃纤维的裂纹阻止作用显著提升冲击韧性，但刚度略有下降，且界面异质性导致ILSS降低。DMA结果进一步证实了温度对宏观粘弹性刚度的调控作用。

**研究结论**：本研究系统探究了基于苯乙烯-丙烯腈(SAN)基体的亚麻纤维(FF)和混合FF/玻璃纤维切边(GF)复合材料的加工-性能关系。通过信噪比(S/N)和方差分析(ANOVA)的统计分析发现，加工温度是压缩模塑过程中最具影响力的参数，对弯曲性能影响最大。这种影响可能与高温下非晶SAN树脂分子迁移率增加有关，促进了聚合物流动和复合材料固结。然而，过高的温度会损害亚麻纤维的完整性，导致降解和力学性能下降。实验结果证实，Comp.200表现出最有利的综合力学行为，具有优异的弯曲模量和拉伸模量以及最高的层间剪切强度(ILSS)。因此，200 °C、10分钟保压时间和7 MPa压力的加工条件被确定为在纤维完整性和聚合物固结之间实现最佳平衡的最合适条件。相比之下，180 °C保留了纤维完整性并提供了最高的夏比冲击能量，但SAN浸渍不完全且刚度和强度较低；220 °C改善了复合材料固结，但引发亚麻纤维热降解，损害了强度相关性能。在层压板中平面引入单层玻璃纤维(GF)显著提高了本研究中评估的混合复合材料的冲击韧性，但与Comp.200相比，观察到刚度和强度有所降低。这些发现适用于所研究的层压板结构，不应推广到其他混杂叠层顺序或GF层配置。动态力学分析(DMA)进一步证实了加工温度与粘弹性响应之间的强相关性，揭示在较高温度下加工的复合材料在玻璃化转变区(T_g ≈ 128 °C)之前表现出更高的储能模量值。这表明优化的热加工有助于提高动态刚度和在振荡载荷下的热机械稳定性。尽管优化的FF/SAN复合材料在半结构应用中展现出有前景的刚度、强度和热机械性能，但仍存在若干局限和挑战。本研究主要关注干态条件下的加工优化和力学行为，而未研究长期耐久性、吸湿性、湿热老化和界面退化。因此，未来工作应包括耐久性研究、定量界面分析和先进的化学表征技术，以进一步阐明FF/SAN复合材料系统中的加工-结构-性能关系。