植物纖維增強(qiáng)可生物降解復(fù)合材料的研究探討.docx

植物纖維增強(qiáng)可生物降解復(fù)合材料的研究探討王溪繁1 ,2 ,王國(guó)和1(1 . 蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院 ,江蘇蘇州 215021 ;2 . 中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 ,湖北襄樊 441003)摘 要 :植物纖維增強(qiáng)可生物降解復(fù)合材料具有強(qiáng)度高 ,質(zhì)量輕等優(yōu)異的性能 ,其廢棄后可被土壤中的微生物降解成 co2 和 h2 o ,不污染環(huán)境 。本文探討了植物纖維復(fù)合材料的組成 、研究現(xiàn)狀 ,并闡述了其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用 。關(guān)鍵詞 :植物纖維 ;可生物降解 ;復(fù)合材料復(fù)合材料具有質(zhì)量輕 、強(qiáng)度高 、價(jià)格便宜等顯著優(yōu)點(diǎn) ,在生活 、工業(yè)中被廣泛的應(yīng)用 ,目前常見的有 碳纖維復(fù)合材料 、玻璃纖維復(fù)合材料 、芳綸纖維復(fù)合材料 ,但這些復(fù)合材料的廢棄物會(huì)排放大量有毒物 質(zhì) ,破壞了生態(tài)環(huán)境 , 為 了人 類 擁有 美好 的生 存 空 間 ,必須用可生物降解復(fù)合材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的復(fù)合材料 。以麻類纖維 、竹纖維 、甘蔗渣 、廢棄木材或木粉 、秸桿 、稻殼 、花生殼 、椰子殼等植物纖維為增強(qiáng) 體 ,可生物降解樹脂為基體制作的復(fù)合材料成為材 料學(xué)科中的熱點(diǎn) ,它們的廢棄物在土壤中會(huì)被微生 物降解成 co2 和 h2 o ,不會(huì)留下任何有毒物質(zhì) 。素 要 高 于 麻 類 纖 維 , 特 別 是 木 質(zhì) 素 , 毛 竹 達(dá) 到301 67 % , 慈 竹 高 達(dá) 311 28 % , 而 苧 麻 僅 為 01 8 %11 5 % ,亞麻為 21 5 %41 0 % ,竹纖維中這三者含量 為纖維干重的 90 %以上 , 苧麻纖 維 中則 占 80 %92 % ,其中纖維素主要起到強(qiáng)度方面的作用 ,木質(zhì)素 和半纖維素等成分主要起到韌性方面的作用 。竹纖 維中果膠和灰分的含量比苧麻 、亞麻 、大麻纖維低 。表 2各種植物纖維成分比例成分毛竹慈竹苧麻亞麻大麻黃麻纖維素半纖維素 木質(zhì)素果膠 脂蠟質(zhì)灰分657514160 . 801 . 50450 . 51 . 025708012152 . 54 . 01 . 45 . 7240 . 81 . 3556716 . 018 . 56 . 39 . 33 . 86 . 85060121810150 . 51 . 045 . 5021 . 1230 . 670 . 70-1 . 1044 . 3525 . 4131 . 280 . 87-1 . 201 . 01 . 2 0 . 31 . 01 . 64 . 6 0 . 51 . 0可生物降解復(fù)合材料的組成11 . 2可生物降解樹脂可生物降解樹脂在醫(yī)療生物 、復(fù)合材料方面有 一定的研究 ,目前常見的可生物降解樹脂有 :聚乳酸( pl a) 、32聚羥基丁酸酯和 32聚羥基戊酸酯的共聚 物 ( p hb v ) 、聚 羥 基 丁 酸 酯 ( p hb ) 、聚 己 內(nèi) 酯( pcl ) 、聚 丁 二 酸 丁 二 酯 ( pb s ) 、熱 塑 性 淀 粉( t ps) 、聚碳酸亞丙酯 ( p pc) 。可生物降解樹脂的 原材料資源豐富 ,且該樹脂對(duì)環(huán)境的污染較小 6 。1 . 1 增強(qiáng)用植物纖維植物纖維 125 的化學(xué)成分主要是纖維素 、半纖維 素和木質(zhì)素 ,三者同屬于高聚糖如表 1 ,總量占纖維干質(zhì)量的 90 %以上 , 其次是蛋白質(zhì) 、脂肪 、果膠 、單 寧 、色素 、灰分等 ,大多數(shù)存在于細(xì)胞內(nèi)腔或特殊的 細(xì)胞器內(nèi) ,直接或間接地參與其生理作用 。表 1纖維素 、半纖維素和木質(zhì)素的組成纖維組成物單體組成分子形態(tài)纖維素半纖維素 木質(zhì)素線性高聚物線性高聚物 三維網(wǎng)狀高聚物c6 h12 o 6c6 h5 c h2 c h2 c h3多縮戊糖2可生物降解復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀竹類 、麻類纖維資源豐富 ,在人類生活上的應(yīng)用有著悠久的歷史 ,從表 2 可以看出毛竹 、慈竹中纖維素含 量要比苧麻 、亞麻低 ,接近于黃麻 ,但要高于玉米稈 (38 %40 %) 、麥稈 ( 34 . 8 %) 。而木質(zhì)素和半纖維2 . 1國(guó)外研究現(xiàn)狀近幾年來 ,歐美 、日本等國(guó)的研究者已經(jīng)對(duì)可生 物降解復(fù)合材料進(jìn)行了大量的前期研究工作 。ter2a mo to 7 等人采用土埋法研究了麻蕉纖 維 與 pcl 、1192011 年第 3 期現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)p hb v 、pb s 、pl a 復(fù)合材料的降解性能 ,并比較了麻蕉纖維的加入對(duì)各種復(fù)合材料降解程度的影響 。 be nja mi n ba x ,j o r g m u ssi g 8 采用注塑成型工藝研 究了 亞 麻 增 強(qiáng) pl a 的 復(fù) 合 材 料 、co r de n ka 增 強(qiáng) pl a 的復(fù)合材料 ,在亞麻/ pl a 復(fù)合材料中共制作了亞麻含量為 10 % 、20 % 、30 %三種板材 ,在 co r de2nka/ pl a 材 料 中 制 作 了 co r de n ka 含 量 為 10 % 、20 % 、30 % 、40 %四種板材 ,通過測(cè)試 ,發(fā)現(xiàn)當(dāng) co r d2 e n ka 含量為 30 %時(shí) , co r de nka/ pl a 復(fù)合材料沖擊 強(qiáng)度 、拉 伸 強(qiáng) 度 達(dá) 到 最 大 值 分 別 為 72 kj / m2 和58 m pa ;發(fā)現(xiàn)在亞麻/ pl a 復(fù)合材料中最 大楊 氏 模 量是 6 . 31 gp a 。se ung2hwa n l e 和 siqun wa ng 9 在竹纖維增強(qiáng) pl a 、pb s 中用 l d i 作為添加劑 ,隨 著 l d i 的增加 ,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度 、耐水性能 、增 強(qiáng)體和基體的粘結(jié)性能得到了提高 。shi nji oc hi 10 研究了紅麻增強(qiáng) pl a ,對(duì)紅麻進(jìn)行了熱分析后確定 了復(fù)合材料的模壓溫度為 160 , 當(dāng)紅麻的質(zhì)量分 數(shù)為 50 % 的 時(shí) 候 , 拉 伸 強(qiáng) 度 與 彎 曲 強(qiáng) 度 達(dá) 到223m pa 和 254m pa ,并在實(shí)驗(yàn)室模擬了自然降解過 程 。s. wo ng 和 r . a . sha nk s 11 等用亞麻纖維增強(qiáng)pl a 和 p hb 的二元共聚物 ,研究了各種添加劑對(duì) 界面剪切強(qiáng)度的影響 ,并用掃描電鏡分析了拉伸斷 裂截面的斷裂形貌 。vila seca 12 等發(fā)現(xiàn)用堿液處理 黃麻纖維能有效提高麻纖維/ 淀粉復(fù)合材料的抗彎 性能和沖擊強(qiáng)度 ,同時(shí)分析了基體和黃麻的界面粘結(jié)性能 。sa njeev 13 研 究 了 楓 木 粉/ p hb v 復(fù) 合 材 料的機(jī)械 力 學(xué) 性 能 和 熱 學(xué) 性 能 , 當(dāng) 楓 木 粉 含 量 為40 %的時(shí)候 ,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度比純的 p hb v 板 材提高了 167 % ,儲(chǔ)能模量提高 ,熱變形溫度提高了21 % ,然 而 熱 膨 脹 系 數(shù) 降 低 了 18 % 。m . mo r reale和 r. scaff a ro 14 通過改變木粉的含量 、直徑和熱處 理來研究木粉增強(qiáng)淀粉基復(fù)合材料 ,結(jié)果表明隨著 木粉含量的增加 ,復(fù)合材料的剛度變大 ,斷裂伸長(zhǎng)率 急劇降低 ,同時(shí)研究了復(fù)合材料的耐水性能 。2 . 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀應(yīng)宗 榮 、戚 裕 15 等 人 研 究 木 粉/ pl a 復(fù) 合 材 料 ,隨著木粉用量的增大 ,拉伸強(qiáng)度有所增強(qiáng) ,在木 粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40 %時(shí)達(dá)到最大值 ,復(fù)合材料的拉伸 強(qiáng)度高 達(dá) 79 . 4m pa , 比純 聚 乳酸 高 41 . 8 % 。袁 利 華 、韓建 16 等人研究了黃麻的鋪層方向和黃麻的含量對(duì)黃麻/ pl a 復(fù) 合材 料 力 學(xué) 性 能 的 影 響 , 當(dāng) =45時(shí) ,其復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu) 。王艷玲 、戚嶸 嶸 17 研究了木粉與 pl a 的相容性和力學(xué)性能 。萬 春杰 、余劍英 18 用堿處理苧麻纖維及改變苧麻纖維長(zhǎng)度 ,描述了苧麻/ 聚碳酸亞丙酯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的變化狀況 ,并對(duì)復(fù)合材料的沖擊斷口 形貌進(jìn)行了分析 。曹勇 、陳鶴梅 19 等人用甘蔗渣纖 維增強(qiáng)聚己內(nèi)酯 ( pcl ) 和淀粉的混合物 ,分析了纖維的熱分解性能 ,研究了纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和纖維長(zhǎng)度 對(duì)材料彎曲模量的影響 。王春紅 、王瑞 20 等人以亞 麻落麻纖維 、pl a 為原材料 ,采用模壓方法制作了 復(fù)合材料 ,研究了模壓溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響 。 劉訓(xùn)墊 、滕翠青 21 制備了聚乳酸一聚己內(nèi)酯 ( pl a2pcl ) / 苧麻復(fù)合材料 ,研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能 變化情況 ,找到了最優(yōu)工藝條件 21 。3復(fù)合材料的應(yīng)用德國(guó)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料市場(chǎng)需求及用途進(jìn)行了調(diào)查 ,常見用在以下行業(yè)中 22226 。 航空航天方面 :復(fù)合材料不僅質(zhì)量輕 ,且具有優(yōu)異的力學(xué)性能 、耐濕熱性和介電性能 ,在航空航天產(chǎn) 品方面得到了廣泛的應(yīng)用 ,如機(jī)艙內(nèi)飾件 、儀器表盤等 ,節(jié)約成本 、減輕負(fù)重 。建筑裝飾和土工材料 : 用于建筑裝飾中的纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)輕 、高強(qiáng) 、保溫 、隔熱 、吸音 、抗震好等特點(diǎn) ,例如復(fù)合門窗框 、扶梯 、軟質(zhì)百葉窗 、地板 、室外路面等 。汽車行業(yè)的應(yīng)用 : 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車市 場(chǎng)得到較快發(fā)展的原因是生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單 、價(jià)格低廉 、 力學(xué)性能好 、重量輕 、省油和減少尾氣排放等 。具體用作如保險(xiǎn)杠 、車后舉門 、踏板飾件 、儀表板 、座椅扶 手骨架 、電池托架 、備胎箱 、車身底板系統(tǒng)等 。過濾材料 :工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)伴隨著有毒氣體 、液體 產(chǎn)生 ,而且一些原材料會(huì)隨著液體或者氣體一起被 排放掉 ,造成浪費(fèi) ;因此纖維復(fù)合材料可廣泛用于化工 、醫(yī)藥 、食品等行業(yè)的氣體 、液體過濾 ,降低生產(chǎn)成 本 ,降低污染 。包裝用材料與其他方面 : 常見的紙箱力學(xué)性能 差 ,使用壽命有限 ,用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作的包裝箱能克服上述缺點(diǎn) 。其他方面應(yīng)用如電纜包覆 材料 、磁碟襯料 、托盤 、工具手柄 、路牌 、音箱 、手機(jī)外殼以及用作一些特殊功能的填充料等 。4結(jié)語環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源是人們最關(guān)心的問題 ,傳統(tǒng)復(fù)合材料消耗了大量的石油資源 ,廢棄后不能被120現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)2011 年第 3 期自然界降解 ,釋放有毒物質(zhì) 。而可生物降解復(fù)合材料的原材料資源豐富 ,成長(zhǎng)周期較短 ,廢棄后的復(fù)合 材料可被土壤中的微生物降解成二氧化碳和水 ; 原 材料和成品能給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益 ,增加國(guó) 民收入 。因此開發(fā)可生物降解復(fù)合材料是利國(guó)利民的重要研究課題 。rived f ro m bio degradble st arch pol ymer a nd j ut e st ra nds j . proce ss bioche mi st r y . 2007 ,42 ( 3) : 3292334 .sa njeev si ngh . a . k. mo ha nt y . woo d fi ber rei nfo rced bact erial biopla stic co mpo2sit e s : fa 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micro2st r uct ure , mecha nical p rop erties , and i n vit ro bioco mpati bili2t y of sp a r k pla sma si nt ered hydro xyap atit e al u mi nu m o xide ca r bo n na not ube co mpo sit e j . mat erial s science a nd en2gi neeri ng c , 2010 ( 30) :1162 1169 .趙萍 ,趙冬梅 ,孫康寧 ,等. 碳纖維/ 碳納米管增強(qiáng)磷酸鈣生物 復(fù)合材料的血液相容性研究 j . 現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展 , 2008 ,8 ( 10) : 185221854 .盧志華 ,孫康寧. 羥基磷灰石/ 碳納米管復(fù)合材料的制備及 其細(xì)胞毒性研究j . 材料導(dǎo)報(bào) :研究篇 , 2010 ,24 ( 1) : 47249 . 孟潔 ,郭小天 ,