阻燃PBT复合材料的化学回收多步骤方法：环境与经济效益

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：A Multi-Step approach for the chemical recycling of Flame-Retardant PBT Composites: Environmental and economic benefits

可靠预测模型对聚乳酸基复合材料力学性能预测至关重要。本研究改进混合法则模型，考虑成型温度和纤维质量分数对机械性能的影响机制，通过碱处理剑麻纤维与PLA复合材料的制备实验，发现温度低于160℃时因基体流动性不足导致纤维浸渍不完全，而温度超过160℃时纤维热降解引发力学性能下降（51.46MPa降至18.56MPa）。纤维含量超过26%时孔隙率增加削弱力学性能，通过引入温度影响参数和孔隙率修正因子，显著提升预测精度。

　　

宁江|裴吉新|王明道|王硕|王彦秋

山东工业大学交通与车辆工程学院，淄博255000，中国

摘要

对于基于聚合物的复合材料而言，可靠的预测模型对于预测其机械性能和减少昂贵的试错制造过程至关重要。经典的混合规则（ROM）模型可以预测合成纤维增强聚合物复合材料的拉伸性能，但由于天然纤维的固有变异性，该模型在预测天然纤维增强复合材料时准确性不足。本研究提出了改进的ROM模型，考虑了成型温度和纤维质量分数对黄麻织物聚乳酸（PLA）复合材料机械性能的影响。将普通黄麻织物进行碱处理（10 wt% NaOH，2小时），并通过在不同成型温度和纤维质量分数下交替堆叠PLA与单向黄麻纱或平纹黄麻织物来制备黄麻/PLA复合材料。在PLA的熔点（160°C）以下，基体的流动性不足会阻碍纤维的浸渍，从而导致复合材料强度下降。相反，过高的温度会导致黄麻纤维的热降解，损害复合材料的机械完整性，当成型温度从160°C升高到200°C时，黄麻织物/PLA复合材料的拉伸强度从51.46 MPa下降到18.56 MPa。纤维质量分数对黄麻织物/PLA复合材料拉伸强度的影响呈现出两阶段特征：最初增加纤维质量分数会提高复合材料的拉伸强度，但当超过26%时，由于浸渍不充分，拉伸强度会下降。改进的ROM模型引入了温度影响参数和孔隙率因素，以考虑温度和体积分数对复合材料性能的影响机制，显著提高了对黄麻/PLA复合材料拉伸强度的预测准确性。

引言

高性能纤维增强复合材料因其轻量化、优异的机械性能和设计灵活性而越来越受到重视。然而，传统的合成纤维增强热固性复合材料存在一些局限性，包括加工时间较长、修复性有限以及回收困难[1]、[2]。相比之下，用植物纤维增强的热塑性复合材料具有明显的优势，包括可回收性、生物降解性和更好的结构设计适应性。这些绿色复合材料在汽车和航空航天等行业中得到广泛应用，以实现快速批量生产和减少环境污染[3]。

植物纤维增强热塑性复合材料的机械性能受到关键加工参数的强烈影响，包括成型温度、压力、纤维含量和纤维长度[4]。在这些参数中，成型温度是一个关键因素，它直接决定了植物纤维的内部结构、机械性能以及基体树脂的流动性及其界面粘附性[5]。Alain等人[6]指出，亚麻纤维的机械性能在140°C以上会因热降解而恶化，且降解速率随温度呈比例增加。Yallew等人[7]研究了加热温度对天然纤维（大麻、黄麻和剑麻）增强聚丙烯复合材料拉伸性能的影响。结果表明，拉伸强度在175°C时达到最大值，进一步升高温度会导致纤维结构受损，从而降低复合材料的机械性能。Singh等人[8]研究了160°C至180°C之间的成型温度对凯纳夫增强聚乳酸（PLA）复合材料机械性能的影响。在低温（160°C）下，PLA的高粘度阻碍了纤维的润湿。当温度升高到170°C时，复合材料表现出峰值拉伸强度和弯曲强度，这主要是由于PLA基体与凯纳夫纤维之间形成了强烈的界面粘附。随着温度的继续升高，纤维开始热降解，导致界面粘附力减弱，机械性能下降。尽管一些研究人员已经研究了不同成型温度下植物纤维增强复合材料的机械性能，但成型温度这一关键参数尚未被明确纳入预测这些复合材料机械性能的模型中。

纤维含量是影响纤维复合材料机械性能的另一个关键参数。作为主要的承重元素，纤维能够增强复合材料的强度和刚度，通常随着纤维含量的增加而提高。然而，过高的纤维含量会导致机械性能下降，主要是由于孔隙率增加和纤维聚集，减少了纤维之间的有效应力传递面积。Erick等人[9]研究了不同体积分数下松木纤维增强聚乙烯复合材料的机械性能。结果表明，在纤维体积分数低于20%时，纤维在复合材料中具有良好的浸渍和均匀分布，机械性能随着纤维含量的增加而提高。随后，由于界面缺陷和孔隙率增加，机械性能下降。Sunil等人[10]也得出了类似的结果，即黄麻和凯夫拉增强环氧复合材料的机械性能随着纤维含量的增加而提高。然而，当纤维含量达到40%时，孔隙率的增加导致机械性能下降。目前关于植物纤维增强复合材料的研究主要集中在研究成型工艺参数如何影响机械性能上，而在建立机械性能与成型工艺参数之间的定量关系方面的研究较少。

利用经典的混合规则（ROM）模型，可以根据纤维和基体的机械参数及体积分数来预测单向纤维增强复合材料的拉伸性能[11]。由于纤维结构和长度的复杂性，植物纤维增强复合材料的拉伸性能会随纤维取向的不同而变化，这降低了ROM模型预测的准确性[12]。许多研究人员通过引入纤维长度、直径和取向等变量来改进ROM模型[13]。然而，这些改进仍然基于理想浸渍的假设，并未考虑到植物纤维在复合材料中通常以扭曲纱线的形式存在的事实，不完全的浸渍和增加的孔隙率进一步降低了预测的准确性[14]。Baets等人[15]发现，亚麻/环氧复合材料的拉伸强度和模量与亚麻纱线的捻度呈反比关系，主要是由于捻度的增加阻碍了基体的润湿。由于这种捻度导致复合材料拉伸性能下降，ROM模型可能会高估其性能。为了克服这一限制，Rao弹性模量模型[16]将纱线捻度角纳入ROM框架中以计算弹性模量。同样，Shah等人[17]通过将纱线捻度角纳入Krenchel纤维取向效率因子中修改了ROM模型，从而提高了对纱线增强复合材料的预测准确性。然而，这些模型仍然假设理想浸渍情况，并忽略了加工过程中产生的孔隙率。Wang等人[18]开发了一种改进的ROM模型，将浸渍后的纱线视为增强相，考虑了纱线直径、间距、卷曲度和波高等织物参数。该模型保持了拉伸强度预测的准确性，并提高了计算效率，但未能考虑加工参数的影响。尽管一些改进的基于ROM的模型考虑了纤维织物结构，但它们仍然无法准确预测在不同加工参数（如成型温度和纤维含量）下的机械性能。

本研究分析了成型参数（包括成型温度和纤维质量分数）对黄麻织物/PLA复合材料拉伸性能和机制的影响。基于经典的复合材料混合规则（ROM），开发了改进的黄麻/PLA复合材料拉伸强度预测模型。首先进行了热力学分析，以研究不同温度下黄麻纱线和PLA浸渍黄麻纱线断裂强度的变化。在此基础上，建立了浸渍纱线断裂强度与成型温度之间的关系。改进的模型通过修正纱线横截面积并使用单向黄麻纱线/PLA复合材料的拉伸强度代替浸渍黄麻纱线的横向拉伸强度，考虑了实际加工条件的影响。此外，本研究还研究了纤维质量分数与孔隙率之间的关系，建立了定量关联。通过引入不同的孔隙率因子来修正黄麻织物/PLA复合材料的纵向和横向拉伸强度，模型更准确地反映了纤维质量分数对拉伸强度的影响。所提出的模型能够在实际加工条件下更准确地评估性能，为工艺优化提供有价值的指导，并减少了大量实验试验的需求。

材料

材料

普通黄麻织物（320 g/m2）由中国成家纺织有限公司提供，并用10 wt% NaOH溶液进行碱处理2小时，以去除表面杂质、半纤维素和木质素成分[19]。碱处理可以增加纤维表面的粗糙度，从而提高与基体的界面粘附性，改善所得黄麻织物复合材料的机械性能。选择来自美国NatureWorks的PLA（4032D颗粒）作为热塑性材料

黄麻纤维的机械性能

随着温度的变化，黄麻纱线的断裂强度表现出两个明显阶段（图2a）。在120°C以下，黄麻纱线的断裂强度相对稳定，试样表现出塑性破坏并伴有部分纤维拔出（图2c）。在低温下，黄麻纤维具有一定的弹性，使得能量能够逐渐释放而不是瞬间断裂。超过120°C后，黄麻纱线的断裂强度开始下降。

结论

本研究探讨了成型温度和纤维质量分数对黄麻织物/PLA复合材料机械性能的影响。在160°C以下，PLA的熔体流动性不足阻碍了纤维的浸渍，从而对机械性能产生负面影响。随着温度的升高，熔体流动性提高，纤维-基体界面结合得到增强，机械性能也随之改善。

作者贡献声明

宁江：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构建。裴吉新：撰写——初稿、可视化、实验研究。王明道：撰写——初稿、方法论。王硕：实验研究。王彦秋：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12302182）和山东省科技创新青年人才计划（项目编号：SDAST2024QTA082）的财政支持。