用于结构应用的挤压植物纤维增强复合材料的连续高效处理与工艺优化

《Polymer Composites》：Continuous High-Efficiency Treatment and Process Optimization of Pultruded Plant Fiber Reinforced Composites for Structural Applications

剑麻纤维增强复合材料通过连续预处理系统实现界面强度和阻燃性能协同提升，加工时间减少83.33%，氧指数达34.8%并获UL-94 V-0认证。

　　

摘要

植物纤维增强复合材料（PFRCs）在建筑应用中受到界面相容性差和易燃性高的限制。本研究提出了一种综合方法，通过连续预处理系统同时提高挤压成型剑麻纤维增强复合材料（SFRCs）的效率、机械性能和阻燃性能。首先，开发了一种新型的连续表面改性系统，该系统具有全纤维浸渍、精确的温度控制以及在线张力监测功能。其次，借助正交实验和响应面方法确定了最佳的加工窗口。研究发现了一些关键的机制，包括非线性的浓度-速度补偿效应、敏感性的反向变化以及明显的热稳定窗口。最后，采用双相阻燃体系显著提升了挤压成型SFRCs的防火性能。与传统浸泡法相比，该预处理方法显著提高了效率，加工时间减少了83.33%。经过连续处理的剑麻纤维纱线显示出更高的界面剪切强度（提高了37.12%），达到18.62 MPa，并且其浸渍后的拉伸强度提高了9.06%，达到311.62 MPa。经过阻燃改性后，双相阻燃体系（DMMP+MCA）有效弥补了DMMP单独使用导致的机械性能下降，使弯曲强度和模量分别恢复了24.00%和37.06%，层间剪切强度提高了20.29%。同时，材料的极限氧指数（LOI）提升至34.8%，达到了V-0等级的阻燃标准。这种协同作用机制包括表面纤维化的增强、极性匹配以及气体/凝聚相的阻燃效果。本研究为生产机械性能优异、具有阻燃性能且可持续的PFRCs提供了一种可扩展的高效制造方法，填补了实验室研究与工业应用之间的差距。

亮点

• 开发了一种集表面处理和阻燃处理于一体的连续系统。
• 连续处理将加工时间缩短到了浸泡处理的六分之一。
• 连续处理改善了界面结合力和机械性能。
• 双相阻燃体系使材料的LOI达到34.8%，符合UL-94 V-0等级标准。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据可应合理要求向通讯作者索取。