《Journal of Sandwich Structures & Materials》：Investigation of a recyclable flax–acrylic composite structure (FLACS) for construction applications
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夹芯复合材料结构兼具高刚度、高力学强度和低重量等特性，使其在建筑领域的板材应用中极具吸引力。然而，由于采用交联后无法重新熔融的热固性基体，其有限的可再加工性限制了材料的可回收性和可持续利用。本研究报道了一种基于亚麻纤维和液态聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热塑性基
夹芯复合材料结构兼具高刚度、高力学强度和低重量等特性，使其在建筑领域的板材应用中极具吸引力。然而，由于采用交联后无法重新熔融的热固性基体，其有限的可再加工性限制了材料的可回收性和可持续利用。本研究报道了一种基于亚麻纤维和液态聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热塑性基体的可回收夹芯复合材料结构（FLACS）的开发工作。该研究工作包括芯层和面板的制备，以及完整夹芯结构的制造，采用了树脂灌注和模压成型相结合的方法。力学测试结果显示，该材料的弯曲强度为41 MPa，压缩承载能力为19.6 kN，低速冲击下的能量吸收为14.1 J。在密度为234 kg/m3的条件下，该材料展现出优异的高比力学性能。随后，研究人员对FLACS进行了单次机械回收循环处理，随后进行热机械加工，过程中未添加原始聚合物。研究结果表明，将回收材料作为原料用于制造适用于可规模化建筑应用的新型复合板材是可行的。
论文解读文章
研究背景与问题
在建筑领域，夹芯复合材料结构因其高刚度、高强度与低重量的结合而广泛应用于结构保温板（SIPs）和预制模块化面板（PMPs）等产品中。传统夹芯结构通常采用热固性树脂基体（如环氧树脂）作为面板材料，并配合聚合物泡沫（如聚氨酯PU、聚苯乙烯EPS）或蜂窝状芯材（如铝蜂窝、芳纶纸蜂窝）。然而，热固性树脂的交联网络结构导致其在固化后无法重新熔融或再加工，严重限制了材料的可回收性与可持续报废管理。此外，许多热塑性泡沫本身对环境生态和人类健康构成风险。这些异构且紧密结合的多层复合材料在寿命终结后，往往只能通过填埋或焚烧处理，造成资源浪费和环境污染。同时，现有的生物基或可回收夹芯系统仍缺乏能够同时整合可再生纤维增强、轻量化设计、结构性能和实验验证可回收性的全热塑性方案。因此，开发一种兼具结构性能与完全可回收能力的轻质夹芯复合材料成为迫切需求。本研究假设，使用相同的亚麻纤维增强热塑性材料来制造面板和芯层，可以开发出力学性能满足半结构性建筑应用要求的可回收夹芯结构。
研究内容与意义
为验证上述假设，研究人员设计、制造并实验评估了一种名为FLACS的轻质夹芯复合材料。该结构的面板和波纹芯层均采用连续亚麻纤维增强的液态热塑性树脂Elium?（一种聚甲基丙烯酸甲酯PMMA基树脂）制成。研究表明，这种单一材料体系的架构能够在实现轻量化设计和足够力学性能的同时，赋予材料在寿命终结后的可回收性。这一发现为建筑行业提供了循环复合材料解决方案的新路径，尤其在隔墙、天花板面板和模块化建筑系统中具有潜在应用价值。
关键技术方法
研究人员采用真空辅助树脂灌注工艺，在平板玻璃模具上制备了厚度约为1.1 mm的四层亚麻织物增强复合层压板，纤维体积分数达到50%。芯层的制造则先将灌注好的平板复合材料放入具有瓦楞几何形状的铝制模具中，通过模压成型（SATIM压力机）在200°C、50 bar压力下热压30秒，冷却后得到波纹板。随后将这些波纹板切割成条带，并手动使用相同树脂体系粘合形成蜂窝芯层。最终，将蜂窝芯层与面板使用同一聚合物体系进行粘接组装，并在室温固化后再于60°C下后固化4小时。在单次回收循环实验中，研究人员将平板复合材料切割成20×20 mm2方块，经VESPA PA18粉碎机造粒（粒径<5 mm），然后在200°C、50 bar条件下热压10分钟，冷却200分钟后制成回收复合板材。
研究结果
表观密度
FLACS芯层的表观密度为125±12 kg/m3，处于常见夹芯材料（如铝蜂窝、聚氨酯泡沫、巴沙木等）的典型范围内。整个FLACS结构的计算密度为234±12 kg/m3，远低于文献中报道的多种可比夹芯结构。平板复合面板的密度为1240±20 kg/m3，孔隙率约为4.5±0.6%。
弯曲试验
三点弯曲试验表明，FLACS面板在初始加载阶段各组分协同作用良好，载荷有效传递直至峰值载荷。首次载荷下降与顶部面板因剪切力导致的脱粘有关。尽管存在局部脱粘，部分样品仍能在更高应变水平下继续承载，显示出较好的损伤容限。弯曲性能平均值为：最大载荷1178 N，弯曲强度（σc）41 MPa，芯层剪切强度（τ）0.6 MPa，面板应力（σf）27.3 MPa，弯曲模量（D）5800 MPa。与文献对比，FLACS在绝对弯曲性能上并非最优，但其比强度（Sp.σc）为0.18 MPa·m3/kg，比比模量（Sp.D）为24.8 MPa·m3/kg，分别比玻璃纤维-环氧/软木NL20结构和玻璃纤维-环氧/PVC泡沫结构高出180%和约一倍。这表明FLACS的优势在于低重量下的力学效率。
面外压缩试验
压缩应力-应变曲线呈现三个区域：初期低刚度的弹性区（I区），与芯-面连接间隙有关；随后线性增加的弹性区（II区），直至屈服点；屈服后的应力平台区（III区），对应芯层蜂窝单元的渐进坍塌。FLACS的面外压缩强度（σz）为2.4 MPa，压缩模量（Ez）为99.4 MPa，最大压缩载荷为19.6 kN。该压缩强度与文献中其他天然纤维热塑性夹芯结构相当，且需结合其低密度（234 kg/m3）来综合考量。
冲击性能
低速冲击试验显示，力-时间曲线呈现两个主峰：第一个峰（约1300 N，2-4 ms）对应前面板的抗穿透能力；第二个峰（约400 N，7-9 ms）对应后面板的穿透。FLACS的最大冲击力为1280 N，最大位移34.9 mm，吸收能量14.07 J。
回收材料的拉伸性能
回收过程实现了约95%的材料回收率。颗粒尺寸分布显示，74%的颗粒特征尺寸小于2.0 mm，仅15%大于3.4 mm。回收复合材料的拉伸强度（34.4 MPa）、弹性模量（4.0 GPa）和断裂伸长率（1.3%）相比原始复合材料（90.0 MPa、5.8 GPa、3.4%）分别下降了62%、31%和62%。性能下降主要归因于纤维长度缩短至临界纤维长度（Lc，约2.6-3.4 mm）以下，导致应力传递效率降低。尽管如此，回收材料无需添加新聚合物即可实现颗粒固结，且保留了有用的力学性能。
总结讨论与结论
讨论部分指出，FLACS在比强度和比模量方面优于文献中多数可比结构，这得益于其蜂窝芯层约75%的空隙率以及连续纤维提供的均匀载荷分布。然而，手工制造过程引入了芯层高度变异和局部粘接缺陷，导致样品间性能分散和过早界面失效。未来改进方向包括采用激光切割、水刀切割或CNC精密加工以提高芯层尺寸精度，以及引入机器人辅助组装和热熔接技术来标准化粘接过程。此外，还需进一步评估结构与常规紧固件的兼容性、与表面装饰材料的附着力，以及热学和声学绝缘性能。
研究结论：本研究成功开发了一种具有蜂窝芯层和亚麻纤维-PMMA面板的夹芯复合材料结构（FLACS），采用真空灌注和模压成型制造。FLACS密度仅为234 kg/m3，显著低于文献中可比结构。力学表征显示其最大弯曲强度为41 MPa，芯层剪切强度0.6 MPa，面板应力27.3 MPa，弯曲模量5.8 GPa；压缩强度2.4 MPa，压缩模量99.4 MPa；低速冲击能量吸收达14 J。特别值得注意的是，其比强度为0.18 MPa·m3/kg，比比模量为24.8 MPa·m3/kg，凸显了所提出结构的轻质高性能特点。此外，该材料经过单次机械回收循环可实现约95%的回收率，虽然因纤维缩短导致力学性能下降，但未来优化粉碎条件有望改善回收材料性能。总体而言，比力学性能、抗冲击性和可回收性的结合使FLACS成为一种有前景的轻质可持续夹芯结构，适用于未来的建筑应用。
