植物纤维及其复合材料应用前景广阔

 

    植物纤维与人类的日常生活一直是密不可分的，因取得便利与可再生的特性，让植物纤维成为人类生活不可或缺的重要材料。但随着科技的进步与石化产业的兴起，人造纤维与塑料因生产技术高度发展与产品多样化与耐久性佳等优点，逐渐替代植物纤维成为主流材料。但石油并非可再生资源，且该类产品废弃后所造成的垃圾处理问题、制造过程中产生大量的污染排放等缺点，使人们不得不重新思考材料的利用性。在环保与永续的趋势下，天然植物纤维重新获得重视，近年来使用植物纤维作为加固材的复合材料（Composite Materials）开始受到关注。

 

    复材结构可藉由制程进行设计。基质包裹纤维提供材料完整且特定的形体，并且保护纤维不受到环境的影响而劣化，也扮演纤维间传递应力的桥梁;而纤维则以 其优异的机械性能承载大部分的外力，并可透过特定排列达到不同功能。植物纤维由于其密度低、强度高，因此制成FRP复材时可提升机械性能并维持较低的密度。此外，植物纤维多为植物细胞集合体，其中的空腔与间隙可为材料带来绝佳的隔热性能。在面对外来能量（如振动）时也得益于其多孔性，使能量快速消散。再者，植物纤维的完整制程所排放污染与使用的化学品量较少，操作温度较低，具有较低耗能的优势，加工过程对机械的磨损程度也较低;再加上植物纤维天然可再生的特性，在合理管控下可达到永续生产。在现代科技的辅助下，对于材料的分解与耐候性已有较好的掌控，使其在产品使用生命周期后可分解，不会造成废弃物累积，且分解所排放的碳也是最初生长时来自大气中的碳源，可达到碳中和。

    相较于人造纤维，植物纤维为非均质材料，其组成构造极为复杂，主要化学组成分为纤维素（Cellulose）、半纤维素（Hemicellulose）及木质素（Lignin）以及其他少量物质。纤维素为葡萄糖所构成之直链状高分子，彼此以氢键互相结合，再互相缠绕而成微纤维（Microfibril），微纤维以特定形式排列交织，并由半纤维素与木质素包覆而形成植物细胞（图三）。构造上，植物纤维并非均匀的圆柱状纤维，而是具有不规则断面与随机缺点的中空纤维，其机械性质在组成上受到化学成分比例、微纤维度、结晶度及细胞壁的层数与厚度等因子影响。

    表一整理常用于复材之植物纤维种类化学组成与物性。可发现植物纤维虽然在机械性质方面相较于几种常见人造纤维稍差，但考虑其密度较低的特性，部分植物纤维之比强度（Specific Strength）或比弹性模数（Specific Elastic Modulus）则不逊于人造纤维。

 

    虽然植物纤维用于复材的研究已非常丰富，却多半局限在短纤维、非连续纤维的应用型态，拆解了原本已天然成形的完整结构，使得植物纤维原本优异的性能无法充分发挥，只单纯发挥作为填料的角色，实属可惜。笔者认为，若能导入编织工艺技术 （Textile Technology）实为良好解方之一。编织纤维复材与一般FRP复材相同，都是将高强度高模数的纤维与延展性佳、流动性佳的高分子树脂混合成形。编织纤维复材是将纤维预先成形，可提高加工效率、纤维的运输方便以及增强特定性能。然而编织的型态与种类则会随目标产品与纤维的种类有所不同，并影响复材成品性能和成型方式。目前相对应的研究中，以梭织预成形体添加进树脂基质的研究属最大宗。