51、多功能材料研究：红麻纤维复合材料与多功能磁性软复合材料

躺平摸鱼王

于 2025-09-28 11:42:22 发布

阅读量62

点赞数

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：智能制造与材料创新文章标签：红麻纤维复合材料多功能磁性软复合材料 TPU

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/k8s6orchestrator/article/details/152247110

智能制造与材料创新专栏收录该内容

52 篇文章 ¥499.90

订阅专栏¥69.90

会员秒杀 ¥9.9 重磅福利

超级会员免费看

多功能材料研究：红麻纤维复合材料与多功能磁性软复合材料

1. 红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料研究

1.1 样品制备

样品1 ：将热塑性聚氨酯（TPU）在100°C下处理24小时后，放入挤出机中制备。
样品2 ：把TPU和红麻复合材料研磨成小立方体颗粒，再放入挤出机。
样品3 ：在180°C下，将TPU、天然橡胶（NR）和红麻加入挤出机。
用40吨热压设备对三个样品进行压制，制成尺寸为3mm×150mm×150mm的样板，并按测试样品规格进行切割。

1.2 性能测试

拉伸测试
- 依据ASTM D638标准，使用万能试验机，以5mm/min的恒定十字头速度和10kN的应力进行测试。
- 通过应力 - 应变曲线计算伸长率和拉伸应力值。
冲击测试
- 按照ASTM标准评估复合材料的抗冲击性，研究纤维取向和长度对冲击阻力的影响。
- 加入特定取向的红麻纤维增强材料可显著提高冲击强度。
吸水测试
- 按照ASTM D570标准，制备尺寸为20mm×20mm×3mm的10个样品，每种复合材料制备10个样品测量厚度膨胀。
- 样品在60°C烘箱中干燥24小时，在含硅胶颗粒的干燥器中冷却后，浸入蒸馏水中7天。
- 用称重仪器记录样品浸泡前后的重量，计算吸水率：
  [
  \text{吸水率}(\%) = \frac{W_2 - W_1}{W_1} \times 100\%
  ]
  其中，$W_1$为浸泡前样品重量，$W_2$为浸泡后样品重量。
密度测定
- 将复合材料切成10mm×10mm×3mm的方块，用1200目砂纸打磨表面。
- 根据ASTM D792标准，使用XS205梅特勒 - 托利多密度计测量密度，每种比例测试5个样品并记录读数。密度计算公式为：
  [
  \text{密度}(\rho) = \frac{\text{质量}(m)}{\text{体积}(v)}
  ]
扫描电子显微镜（SEM）分析 ：观察红麻纤维表面及其与基体的附着情况，比较样品结果，确定模量、拉伸强度、断裂伸长率、硬度、回弹性和吸水率等性能，分析纤维表面因化学处理产生的改性。
差示扫描量热法（DSC）测试 ：在30 - 500°C、加热速率为10°C/min的条件下进行测试，确定含红麻的TPU - NR的玻璃化转变温度（Tg）、热稳定性、熔点和热容量，将1 - 5mg的复合材料放入坩埚，测定热流与温度的DSC曲线。

1.3 结果与讨论

拉伸性能
- 样品3（TPU、红麻、NR）的拉伸强度最高，为$5.43×10^{-5}$MPa，其次是样品1（TPU）为$2.917×10^{-5}$MPa，样品2（TPU和红麻）为$1.95×10^{-5}$MPa。
- 红麻纤维的碱性处理破坏氢键、去除杂质和使纤维素解聚，提高了纤维的界面结合和整体强度。天然橡胶作为增韧剂，降低脆性，增强能量吸收能力。
- TPU的杨氏模量为74.33MPa，红麻为45.84MPa，样品3为73.57MPa。红麻等天然纤维会降低复合材料的刚度，但样品3的拉伸模量略有增加。
悬臂梁冲击性能
- 样品2（TPU红麻）的冲击强度最高，为$0.423$kJ/m²，红麻纤维在TPU基体中提供额外支撑，防止裂纹扩展。
- 样品3（TPU红麻NR）的冲击强度略有下降，原因是天然橡胶和TPU的化学结构不同，可能限制它们的相容性。TPU的冲击强度最低，为$0.39$kJ/m²，硬度或刚度较高的TPU冲击强度通常较低。
密度测试 ：处理后的红麻填充TPU - NR聚合物复合材料的密度随TPU含量增加而增加，样品3的密度最高，为$1.83$g/cm³，表明天然橡胶的加入改善了TPU与红麻纤维的界面结合。
吸水测试 ：TPU含量较高的聚合物复合材料吸水率较低，红麻填充TPU - NR的吸水率最高，TPU填充红麻的平均吸水率最低。天然纤维和天然橡胶的存在增加了复合材料的吸湿性，纤维处理可降低亲水性，改善界面相互作用。
| 样品 | 浸泡前重量(g) | 浸泡7天后重量(g) |
| ---- | ---- | ---- |
| TPU | 2.138 | 5.419 |
| 红麻填充TPU | 2.380 | 3.844 |
| 红麻填充TPU - NR | 2.376 | 11.752 |
差示扫描量热法（DSC）测试 ：TPU在198.2和338.3°C出现峰值，红麻填充TPU在213.35和335.75°C出现峰值。红麻纤维吸收的水分会影响TPU复合材料的热特性，红麻填充TPU和NR在417.4°C有较高的吸热反应，略高于TPU的408.69°C。

graph LR
    A[样品制备] --> B[性能测试]
    B --> C[拉伸测试]
    B --> D[冲击测试]
    B --> E[吸水测试]
    B --> F[密度测定]
    B --> G[SEM分析]
    B --> H[DSC测试]
    C --> I[拉伸性能结果]
    D --> J[冲击性能结果]
    E --> K[吸水测试结果]
    F --> L[密度测定结果]
    G --> M[SEM分析结果]
    H --> N[DSC测试结果]

2. 多功能磁性软复合材料（MMSCs）研究

2.1 MMSCs简介

MMSCs因其独特的磁性、柔韧性和多样的功能，在材料科学和工程领域受到关注。
其磁性可调节，在传感应用中，磁传感器可检测和测量磁场变化；在驱动应用中，执行器利用其磁性实现精确移动。
材料的柔软性使其在软机器人领域具有优势，装备MMSCs的软机器人能在复杂环境中导航、适应不同地形，更精确地操作精细物体。
在生物医学领域，MMSCs可用于药物输送系统、医用纺织品和靶向癌症治疗等。

2.2 研究进展

3D打印技术、创新绝缘层以及磁性油墨和填料等推动了MMSCs的发展，改善了其特性，使其能构建更复杂、多功能的系统。

2.3 研究挑战与未来方向

目前研究存在不足，如对MMSCs在高电场中随时间变化的电导率的理解，以及对称破缺驱动机制的研究。
未来研究应优先解决这些知识缺陷，充分利用MMSCs在高压系统和多样化生物医学应用等未开发领域的潜力，以确保其持续发展并在技术进步中发挥关键作用。

graph LR
    A[MMSCs简介] --> B[研究进展]
    B --> C[3D打印技术]
    B --> D[创新绝缘层]
    B --> E[磁性油墨和填料]
    B --> F[特性改善]
    B --> G[复杂多功能系统]
    A --> H[研究挑战与未来方向]
    H --> I[高电场电导率研究]
    H --> J[对称破缺驱动机制研究]
    H --> K[未开发领域应用]

通过对红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料和多功能磁性软复合材料的研究，我们可以看到不同类型材料在各自领域的独特优势和应用潜力。未来，随着研究的深入和技术的发展，这些材料有望在更多领域发挥重要作用。

多功能材料研究：红麻纤维复合材料与多功能磁性软复合材料

3. 两种材料研究的对比与综合分析

3.1 性能特点对比

材料类型	拉伸性能	冲击性能	密度	吸水性能	热性能
红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料	样品3拉伸强度最高，红麻纤维碱性处理和天然橡胶增韧可提高性能；天然纤维会影响刚度	样品2冲击强度最高，化学结构差异会影响冲击性能	密度随TPU含量增加而增加，天然橡胶改善界面结合	TPU含量高吸水率低，天然纤维和橡胶增加吸湿性	红麻纤维影响热特性，不同样品有不同吸热反应
多功能磁性软复合材料（MMSCs）	主要关注磁性响应带来的力学性能变化，可实现精确驱动移动	未提及	未提及	未提及	未提及

从表格可以看出，红麻纤维复合材料侧重于常规的力学、物理性能研究，而MMSCs主要聚焦于磁性相关的功能特性。

3.2 应用领域对比

红麻纤维复合材料 ：可用于一些对力学性能和吸水性能有要求的常规工业领域，如建筑材料、包装材料等。
MMSCs ：在软机器人领域可实现复杂环境的导航和物体操作；在生物医学领域可用于药物输送和靶向治疗等。

graph LR
    A[红麻纤维复合材料] --> B[工业领域]
    B --> C[建筑材料]
    B --> D[包装材料]
    E[MMSCs] --> F[软机器人领域]
    E --> G[生物医学领域]
    F --> H[复杂环境导航]
    F --> I[物体操作]
    G --> J[药物输送]
    G --> K[靶向治疗]

4. 未来发展展望

4.1 红麻纤维复合材料的发展方向

性能优化 ：进一步研究红麻纤维的处理方法，提高纤维与基体的界面结合强度，从而提升复合材料的整体性能，如拉伸强度、冲击强度等。
拓展应用领域 ：探索在新兴领域的应用，如航空航天领域的轻质结构材料、汽车内饰材料等。
环保可持续性 ：加强对红麻纤维复合材料回收利用技术的研究，提高材料的环保可持续性。

4.2 MMSCs的发展方向

解决研究缺陷 ：深入研究MMSCs在高电场中随时间变化的电导率以及对称破缺驱动机制，为其在高压系统等领域的应用提供理论支持。
拓展应用范围 ：开发MMSCs在更多生物医学领域的应用，如组织工程、生物成像等；同时探索在新能源领域的应用潜力，如磁性储能材料等。
材料创新 ：不断研发新的磁性材料和制备工艺，提高MMSCs的性能和功能多样性。

graph LR
    A[红麻纤维复合材料] --> B[性能优化]
    A --> C[拓展应用领域]
    A --> D[环保可持续性]
    E[MMSCs] --> F[解决研究缺陷]
    E --> G[拓展应用范围]
    E --> H[材料创新]

5. 结论

红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料和多功能磁性软复合材料都具有独特的性能和应用潜力。红麻纤维复合材料在常规力学和物理性能方面表现出色，而MMSCs则凭借其独特的磁性和柔软性在软机器人和生物医学等领域展现出优势。未来，通过不断的研究和创新，这两种材料有望在各自的领域取得更大的突破，为多个行业的发展做出重要贡献。我们期待在未来能看到更多基于这些材料的创新产品和应用出现。