植物纤维在绿色复合材料中的应用及发展

 

 

　　在过去几十年，高分材料的研究和工程应用领域逐渐向纤维增强的复合材料转变。这些复合材料主要包括碳纤增强的复合材料、芳纶纤维增强的复合材料和玻纤增强的复合材料。目前这些复合材料已经被广泛应用在航空、火车、汽车、建筑、休闲用品和体育器材等领域。然而，这几类复合材料存在一些严重的缺点，比如这些复合材料的回收问题、后处理问题和可持续发展问题等。碳纤维和芳纶纤维的原材料都属于石油基材料，石油属于不可再生资源，玻纤属于高能耗材料，这些缺点对他们的可持续发展是致命的。随着不可再生资源的不断消耗，可再生资源的开发利用对于国家经济的可持续发展以及材料领域的可持续发展显得尤为重要。近几年，世界各国的许多复合材料领域的科研人员对天然纤维在复合材料领域的应用特别感兴趣，尤其怎样用天然纤维替代玻纤和碳纤。大量研究表明天然纤维能有效增强复合材料，比如剑麻纤维，黄麻纤维，亚麻纤维等。我国麻资源十分丰富，如何提高其应用效率和附加值，不仅对绿色复合材料有巨大的推动作用，而且对麻的纺织行业乃至整个纺织行业的技术进步、结构调整、效益增加将有很大的推动作用。

 

 

　　麻纤维是从各种植物提取的纤维的统称。它与棉纤维都属于天然纤维，所不同的是麻纤维的非纤维素成分含量较高，这些非纤维素成分统称为胶质，胶质内含有半纤维素、果胶、木质素、水溶物、脂蜡质、灰分等物质。麻纤维的生长环境和条件各异，导致其组成不同，其结构和形态也不相同。横节是麻纤维共有的特征之一。

 

　　麻纤维特有的中腔结构使其比一般纤维素纤维具有更高的力学性能。麻纤维具有高强低伸、低密度的特点，不利于纺织服装用，但适合作为复合材料增强体。苎麻最早产于我国，是我国古代重要的纺织原料。我国的麻纤维资源极其丰富，品种达百余种。世界上常见的麻类作物在我国都种植有，如苎麻、剑麻、亚麻、汉麻、红麻、黄麻和罗布麻等，其中苎麻在我国是特有的麻资源之一，产量接近世界总产量的90%，苎麻纺织加工能力位居世界之首。因此，苎麻纤维在植物纤维增强复合材料领域也是一种非常有开发潜力的纤维原材料。

 

 

　　麻纤维除了成本和强度不及玻纤，其他几项特性都是植物纤维所特有的，比如植物纤维相对较轻、可再生、可生物降解、对人体无危害等。在天然纤维中，麻纤维有很多优异的性能，强度高、模量大、质硬、耐摩擦、耐腐蚀、耐水泡，在我国分布广泛。另外，植物纤维有很好的热稳定性和声学特性。这些特性使得植物纤维增强的复合材料能在汽车领域、包装领域和建筑领域获得应用。

 

　　尽管植物纤维相对传统的玻纤材料有那么多优越的特性，但是植物纤维与树脂的界面粘结性和阻燃性能是其在复合材料领域应用中两个比较棘手的问题。因此，为了达到使用要求，植物纤维在使用之前需要做一些改性处理。

 

 

　　有人用不饱和聚酯、环氧树脂及一些热塑性树脂等作为植物纤维增强复合材料的基质，但是遇到了一些问题。这些主要的问题是植物纤维的高吸水率，与树脂的浸润性不好，纤维与树脂的界面相容性不好。为了克服这些问题，改善植物纤维与树脂的界面粘结性，研究人员发现了一些改性麻纤维的方法，比如碱洗改性，去木质素，烷基化改性，乙酰化改性，氰基化改性等。研究人员用不同的粗麻纤维布增强聚酯，研究了不同纤维的表面改性和预处理对植物纤维增强聚酯复合材料的影响。用碱法改性苎麻纤维已在工业化生产得到应用。大部分现行的改性工艺都是在浓碱中溶胀生成碱纤维素，然后选择不同的消晶方式。研究结果表明，苎麻纤维在烧碱溶液中，溶胀效果和伸长效果最好。植物纤维在溶胀时引入乙酰化学基团，可避免纤维素的重结晶。乙酰基的引入阻止了纤维素链的重新聚集。总之，改善植物纤维与树脂的界面粘结性的手段多种多样，但主要都离不开物理改性和化学改性。改善纤维与基质的界面相容性还有另一种办法，就是用化学改性的方法对基质进行改性，实验表明这种办法也很有效。

 

　　另外，植物纤维是一种易燃材料，作为复合材料应用，易燃无疑是植物纤维的一个很大的缺陷。复合材料不仅需要很好的力学性能，而且还需要很好的阻燃性能才能在更多的领域得到应用。植物纤维的阻燃处理主要也分为两种：物理改性阻燃和化学改性阻燃。在复合材料的阻燃处理中可以对纤维进行阻燃，基质进行阻燃和纤维基质同时阻燃。目前，对复合材料的阻燃处理也是一个研究的热点之一。目前，中航复材（北京）科技公司在提高植物纤维的阻燃性能方面也做了一些工作，并取得了较好的阻燃效果。没加阻燃剂的植物纤维织物用打火机能直接点着，并且水平放置也能迅速燃烧。加了阻燃剂的植物纤维织物用打火机点不着，只能碳化。

 

　　科研人员在麻纤维改性方面已经取得许多非常有用的成就，这对麻纤维在复合材料领域的应用奠定了坚实的理论基础和加工制备工艺。目前，植物纤维增强的复合材料已经在一些领域得到了应用。

 

 

　　近年国际社会强烈关注环境、资源、低碳和减排问题，而航空运输业实现这些目标的主要途径之一就是选用更加轻质高强的材料，特别是复合材料，并用天然原料部分替代现有的材料，如用植物纤维部分替代玻璃纤维。作为增强纤维材料，植物纤维特有的结构赋予材料独特的低密度和吸声降噪及隔热保温功能。经中航复材（北京）科技有限公司测试，麻纤维在一般环境温度下稳定，可以胜任在100℃温度下的使用。由于麻纤维特殊的空心或多孔结构， 这些材料的吸声阻尼性能一般均优于玻璃纤维、碳纤维等工业纤维材料。

 

　　航空发展史上，早期飞机是用麻纤维织物与木材制造的。在今天的运动飞机或业余飞机制造中，还可以见到这样的飞机结构。麻纤维织物增强绿色复合材料应用于飞机的典型产品为内饰壁板，采用真空吸铸成型工艺完成，所装机型为目前在研水上飞机“蛟龙”600。

 

　　麻纤维织物以及预浸料可以与玻璃纤维织物或预浸料交错叠层制备混杂复合材料层合板，利用这个技术制备的复合材料壁板具有较好的结构-阻尼-降噪特性，赋予复合材料制件多功能的特性。目前，这项技术已应用于多种飞机的多功能内饰结构。