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非洲利用车前草制成复合材料可用于汽车

来源:盖世汽车     发布时间:2020-08-29
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虽然在豪华汽车中很难找到剑麻、麻类植物或木头等材料,但是其实汽车制造商使用天然纤维的历史已经长达几十年。在一些高端轿车和双门轿跑车的车门内饰板、发动机、内饰、隔音部件和发动机罩等部件中,都可以找到此类复合材料。

与钢或铝不同,天然纤维复合材料不会生锈或腐蚀,而且非常耐用,易成型。汽车中使用纤维增强型聚合物复合材料的最大优点是重量轻、具备良好的碰撞性能、降噪以及减轻振动等。但是,用可再生资源生产更多的汽车零部件仍是一个挑战。天然纤维聚合物复合材料同时也具备易开裂、断裂和弯曲的缺点,原因在于复合材料的抗拉、抗弯曲和抗冲击强度低。

(图片来源:约翰内斯堡大学)

据外媒报道,南非约翰内斯堡大学(the University of Johannesburg)的研究人员现在证实,一种淀粉类香蕉——车前草(plantain,大蕉)是一种很有前景的原料,可用作汽车业的新兴复合材料。将天然车前草纤维与碳纳米管和环氧树脂相结合,可以制成一种天然纤维增强型聚合物混合纳米复合材料。车前草是非洲、亚洲和南美洲热带地区的主要粮食作物,全年都生长,很多种类的车前草都可以煮熟之后食用。

研究人员用环氧树脂、处理过的车前草纤维和碳纳米管制成了一种复合材料。碳纳米管的最佳用量是车前草-环氧树脂加起来重量的1%。最终得到的车前草纳米复合材料比环氧树脂自身更坚固、更坚硬。该复合材料的抗拉强度比环氧树脂本身高31%,抗弯强度高34%。此外,该材料的拉伸模量比环氧树脂高52%,弯曲模量高29%。

约翰内斯堡大学机械工程科学系主管兼该研究的首席研究员Tien-Chien Jen教授表示:“将车前草与多壁碳纳米管相混合,可提高该复合材料的机械强度和热强度。性能的提升让该混合复合材料可成为有竞争力的替代性材料,以制成特定的汽车零部件。”

约翰内斯堡大学机械工程科学系博士后研究员Patrick Ehi Imoisili博士表示,利用可再生资源生产汽车零部件有几大好处。“在汽车上采用天然纤维是一种趋势,原因在于天然纤维复合材料具有可再生、低成本和低密度的特点,具有比较高的比强度和刚度,生产过程也相对安全。利用此类复合材料制汽车零部件,还可以减轻车辆的质量,从而提高汽车的燃料效率,让汽车更安全。而且此类复合材料不会像金属一样生锈或被腐蚀,非常坚硬、耐用,很容易成型。”

不过,现在有些天然纤维增强型聚合物复合材料具有会吸水、抗冲击强度低、耐热性差等缺点,会导致汽车零部件开裂、弯曲或变形。

研究人员对车前草纳米复合材料进行了一系列标准化工业测试,包括ASTM测试法D638和D790、根据ASTM A-370标准进行的抗冲击测试以及ASTM D-2240测试。测试结果证明,含1%纳米管的复合材料的强度和刚度优于单独使用的环氧树脂。与纯环氧树脂相比,车前草纳米复合材料在硬度、抗冲击强度和导热性等方面也得到显著提高。

研究人员还采用一份不可食用的车前草纤维、四份环氧树脂和多壁碳纳米管制作了一个压缩模压应力测试对象。其中,环氧树脂和纳米管由商业供应商提供,此种环氧树脂与汽车制造商在某些汽车零部件中使用的树脂类似,车前草来自尼日利亚西南部大蕉树的树干或假茎,假茎由紧密重叠的叶子构成。

研究人员采用多个步骤处理了车前草纤维。第一个步骤采用了一种称作水浸渍(water retting)的古老方法,可将植物纤维从根茎上分离下来。在第二个步骤中,将纤维在含3%苛性钠的溶液中浸泡4小时。在干燥后,用2.45GHz、550W的高频微波辐射处理2分钟。苛性钠和微波处理可以改善纳米复合材料中车前草纤维与环氧树脂之间的结合。

接下来,研究人员将纳米管分散到乙醇中,以防止纳米管在复合材料中聚集。之后,将车前草纤维、碳纳米管和环氧树脂结合放入模具中,然后在室温下利用负载将模具压缩24个小时。

车前草生长在世界各地的热带地区,包括北美州的墨西哥、佛罗里达和得克萨斯州;南美和中美洲的巴西、洪都拉斯、危地马拉;印度、中国和东南亚地区。在西非和中非,喀麦隆、加纳、乌干达、卢旺达、尼日利亚、科特迪瓦和贝宁的农民也会种植车前草。

利用主要粮食作物的生物质会给低收入人群的粮食安全带来问题,而汽车行业又需要可靠的天然纤维原料,以增加天然纤维复合材料的使用。不过,车前草对粮食安全和工业用复合材料的影响不大,因为车前草种植者经常在收获之后将假茎作为农业废弃物丢弃。


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