天然可降解纖維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料綜述

1、天然可降解纖維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料綜述姓名：楊濤 學(xué)號：1015033005摘要：本文闡述了天然纖維復(fù)合材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，還介紹了天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最新工業(yè)用途。同時(shí)還介紹一些大學(xué)研究的情況、各種工業(yè)產(chǎn)品以及在航空領(lǐng)域中的可能應(yīng)用，從超輕型飛機(jī)上的非結(jié)構(gòu)性零件開始。關(guān)鍵詞：天然纖維; 紡織結(jié)構(gòu); 復(fù)合材料。1 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡介材料是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，與能源、信息并列為現(xiàn)代高科技的三大支柱。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類生活水平的提高，以及健康意識和消費(fèi)意識的增強(qiáng)與成熟，人們對材料及其產(chǎn)品的需求日益增長，且越來越認(rèn)識到環(huán)境問題的重要性，環(huán)境材料已成為國際高科技新材料研究中

2、的一個(gè)新領(lǐng)域。各國在研究具有凈化環(huán)境、防止污染、替代有害物質(zhì)、減少廢棄物、資源再利用等方面做了大量工作，并取得了重大進(jìn)展。目前，各個(gè)行業(yè)都致力于傳統(tǒng)材料向環(huán)境材料的過渡或轉(zhuǎn)型，綠色工程已經(jīng)以其不可阻擋之勢迅猛發(fā)展起來。在環(huán)境材料中，天然纖維以其資源豐富、可再生且能自然降解的優(yōu)勢占據(jù)了重要地位，并且扮演越來越重要的角色。復(fù)合材料是適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展而涌現(xiàn)出的具有強(qiáng)大生命力的材料，它由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過各種工藝組合而成。復(fù)合材料的各個(gè)組成材料在性能上起協(xié)同作用，得到單一材料無法比擬的綜合性能。它具有剛度大、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可根據(jù)使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，以滿足各種特殊用途，從

3、而極大地提高了工程結(jié)構(gòu)的性能。天然纖維復(fù)合材料由天然纖維和基體組成。纖維作為增強(qiáng)體分散在基體中，起最主要的承載作用。目前已經(jīng)把麻、竹纖維大量用作木材、玻璃纖維的替代品來增強(qiáng)聚合物基體，與合成纖維相比,天然纖維具有價(jià)廉質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比模量高等優(yōu)良特性。最為關(guān)鍵的是天然纖維屬可再生資源，可自然降解，不會(huì)對環(huán)境構(gòu)成負(fù)擔(dān)。以天然纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料同樣具有優(yōu)良的性能，隨著技術(shù)的提高，應(yīng)用領(lǐng)域已從航空航天和國防軍工擴(kuò)展到建筑與土木工程、陸上交通運(yùn)輸、船舶和近海工程、化工防腐、電氣與電子、體育與娛樂用品、醫(yī)療器械與仿生制品以及家庭辦公用品等各個(gè)部門。2 紡織復(fù)合材料低成本制造技術(shù)進(jìn)展由于紡織復(fù)合材料不僅

4、具有比強(qiáng)度高、比剛度大和重量輕等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),而且還具有能和機(jī)械、電子等學(xué)科進(jìn)行交叉,開發(fā)出可設(shè)計(jì)性材料結(jié)構(gòu)的潛力,因而一直以來備受航天企業(yè)青睞。復(fù)合材料構(gòu)件的成本遠(yuǎn)高于鋁合金構(gòu)件,高成本已經(jīng)成為其更廣泛應(yīng)用的障礙。隨著紡織復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,以及航空航天、體育娛樂、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的迅猛發(fā)展,紡織復(fù)合材料的低成本制造技術(shù)顯得越來越重要?？梢灶A(yù)見,不久的將來復(fù)合材料研究生產(chǎn)工作將以降低制造成本為核心展開。因此,如何降低復(fù)合材料成本成為目前復(fù)合材料研究的一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。復(fù)合材料的成本由纖維、樹脂、結(jié)構(gòu)與預(yù)浸料和制造成本等成本因素組成,其中制造成本約占72%左右,纖維占13%,結(jié)構(gòu)與預(yù)浸料占

5、10%,樹脂占5%,因此,降低復(fù)合材料的制造成本是降低材料成本的關(guān)鍵。當(dāng)前有關(guān)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的研究工作主要涉及:(1)采用高效、快速成型的固化方法:電子束、離子束、微波、紅外技術(shù);(2)采用高效、快速成型工藝:如RTM、RFI成型和真空吸注成型;(3)推廣自動(dòng)化、機(jī)械化生產(chǎn):如自動(dòng)鋪帶技術(shù)、自動(dòng)鋪放技術(shù)、纖維纏繞技術(shù);(4)研制常溫常壓條件下固化基體樹脂等。3 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用由于對環(huán)境的關(guān)注度不斷上升，人們對天然纖維復(fù)合材料（NFC）和生物降解材料的開發(fā)又重新燃起了興趣，這對纖維增強(qiáng)塑料來說會(huì)是一種新型環(huán)保的選擇。這些材料有許多優(yōu)點(diǎn)，包括特有的力學(xué)性能、良好的熱性能、隔

6、音絕緣特性、低密度、降低的工具磨損、優(yōu)異的成型性以及安全的碰撞表現(xiàn)（無裂縫）。它們無毒、環(huán)保、低成本，容易獲得，有助于工作環(huán)境更健康、更安全。因此，天然纖維（NF）可以作為低成本增強(qiáng)材料替代玻璃纖維?？紤]到有可能采用相同的工藝、工具、員工、設(shè)備、控制裝置和技術(shù)，因此在成本合理的情況下一個(gè)簡單的替代是可能的。4 天然植物纖維聚合物基復(fù)合材料的研究進(jìn)展我國在2000 年前就利用麻絲和大漆制造漆器。植物纖維與合成樹脂進(jìn)行復(fù)合材料的研究,最初是以粉狀形式的木纖維作為填料加到熱固性塑料中。20世紀(jì)80年代后,人們開始對植物纖維/熱塑性塑料復(fù)合材料進(jìn)行研究,其中以印度、日本、歐美等國最為活躍。研究者用偶聯(lián)

7、劑、分散劑等方法來改善木纖維與聚烯烴塑料(PE、PP等)的相容性,得到了較好的結(jié)果,并初步探討了木纖維增強(qiáng)聚烯烴塑料的增強(qiáng)機(jī)理。一些植物纖維/熱塑性塑料復(fù)合材料也實(shí)現(xiàn)了商品化,如德國用45%木纖維增強(qiáng)聚丙烯板材造汽車制件,用木纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的減震壓延片材等,產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟(jì)效益。印度用黃麻、亞麻和劍麻纖維作為熱固性和熱塑性聚合物的增強(qiáng)材料,其制品也開始在工程上應(yīng)用。我國有豐富的天然植物纖維資源,特別在我國南方,天然的劍麻纖維、椰纖維、菠蘿葉纖維等非常豐富,雖然劍麻纖維的表面改性取得了一定的進(jìn)展,但目前這些天然植物纖維在增強(qiáng)聚合物材料方面仍未真正地發(fā)揮優(yōu)勢,特別是椰纖維,除小部分用作椰纖維墊

8、、繩索和燃料外,大部分是自然遺棄,既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。椰纖維是一種具有多細(xì)胞附聚結(jié)構(gòu)的長纖維,除具有優(yōu)良的力學(xué)性能外,還具有較優(yōu)異的耐濕、耐熱和隔音性能,可以作為增強(qiáng)體替代或部分替代合成纖維用于結(jié)構(gòu)材料中,作為熱固性和熱塑性樹脂、橡膠、水泥等的增強(qiáng)材料。利用不同增強(qiáng)體的性能互補(bǔ),用植物纖維與其它增強(qiáng)體共混增強(qiáng)聚合物,研究開發(fā)植物纖維混雜增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料都有相關(guān)報(bào)道,如:鐘鑫等討論了利用接枝的方法改性木粉,結(jié)果表明,用硝酸鈰銨作引發(fā)劑引發(fā)木纖維表面接枝甲基丙烯酸甲酯,當(dāng)引發(fā)劑濃度為3.010-3左右時(shí),材料的拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能都達(dá)到最佳;NaOH溶液浸泡干燥后再與硅烷偶聯(lián)劑共同處理

9、木粉、接枝改性木粉后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度幾乎比只用硅烷偶聯(lián)劑處理的復(fù)合材料增加一倍,材料的韌性和強(qiáng)度都有較大提高。李正紅用主成分分析法結(jié)合拋物線方程法優(yōu)化確定植物纖維復(fù)合材料若干性能兼優(yōu)所對應(yīng)的最佳纖維含量,計(jì)算得到竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及熱變形溫度4項(xiàng)性能指標(biāo)兼優(yōu)的最佳纖維含量為27.71%,復(fù)合材料的綜合性能有一定程度的改善。丁筠等將木纖維先用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液浸泡,再用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理的兩步改性方法,與只用硅烷偶聯(lián)劑對木纖維進(jìn)行表面改性相比,聚氯乙烯/木纖維復(fù)合材料的界面黏合性提高,復(fù)合材料的力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率等明

10、顯提高,改性效果顯著。5 天然植物纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域天然植物纖維如木纖維、麻纖維、竹纖維、椰纖維、棉纖維以及稻草、秸稈、蔗渣等在增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中都有應(yīng)用,且制備出的天然植物纖維復(fù)合材料性能優(yōu)良,在很多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。5.1 建筑工程木纖維復(fù)合材料在建筑工程中的用途極廣,例如復(fù)合門窗框、扶梯、軟質(zhì)百葉窗。若用多層擠出制型材,內(nèi)層可采用回收材料,外層用新料,做成復(fù)合材的各項(xiàng)機(jī)械性能可與硬木產(chǎn)品相媲美。用木纖維復(fù)合材料作地板,不脹縮,防水,表面美觀,比用中密度木質(zhì)纖維板要優(yōu)越得多。近年來,國外已把木纖維復(fù)合材料應(yīng)用到鐵路枕木上。我國大多用鋼筋混凝土枕木,彈性差,對車輛和路基磨損大,若用木纖維

11、復(fù)合材料,則在改善枕木機(jī)械性能及經(jīng)濟(jì)性上都具優(yōu)點(diǎn)。21世紀(jì),我國的鐵路建設(shè)甚多,尤其是西部開發(fā),需要很多枕木,木纖維復(fù)合材料就是方向之一。木纖維復(fù)合材料在臨時(shí)建筑隔板、農(nóng)村建材、別墅、小區(qū)室外陽臺(tái)、室外路面、公共設(shè)施(如碼頭)、交通設(shè)施(如汽車、輪船、火車中的部件)中均能應(yīng)用,因此,木纖維復(fù)合材料在建筑工程中的應(yīng)用前景廣闊,是一種優(yōu)良的替代木材的新型建材。5.2 汽車工業(yè)木質(zhì)原料-聚丙烯材料做的室內(nèi)裝修基材在美國仍有生產(chǎn),不過廠商已經(jīng)開始用其他天然纖維原料代替木纖維作為填充材料。在美國用天然纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料生產(chǎn)汽車內(nèi)襯件比歐洲發(fā)展得慢。由于它完全可滿足汽車內(nèi)飾件對材料性能要求并且優(yōu)于純塑料

12、材料,因此,在汽車內(nèi)飾行業(yè)的份額也不斷加大,目前已達(dá)50%左右。Donald認(rèn)為,木塑復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用得到較快發(fā)展的原因是生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)周期短、可以回收利用、價(jià)格低廉以及重量輕等。主要用于轎車門內(nèi)嵌件、門護(hù)板、門飾板、備用胎箱、后備箱板、座椅背板、側(cè)墻板以及儀表盤板等。一家美國大公司采用德國工藝用天然纖維、聚丙烯和聚醋復(fù)合材料生產(chǎn)汽車門板,達(dá)到4星碰撞水平。其他如儀器底板、擱架、承重地板和駕駛室背板等都已進(jìn)行了測試。5.3 其他除了用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)外,植物纖維復(fù)合材料的更廣闊用途是在各種新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。如托盤、花盆、工具手柄、浴缸和辦公用品、高速公路路牌、吸音板及音箱、海洋碼頭工程組

13、件等。貨運(yùn)托盤是目前物流中的重要工具,種類有塑料托盤、木托盤、紙托盤及金屬托盤等。目前塑料托盤應(yīng)用較廣。木托盤由于其出口檢疫問題而大大降低了市場占有率。新型木塑復(fù)合板作托盤,可以降低材料成本,而且耐腐性能優(yōu)于木材,因此有很強(qiáng)的市場競爭力。6 結(jié)語目前,制備聚合物的石油原料越來越缺乏,造成聚合物價(jià)格上漲,制品成本增加,再加上純聚合物制品對環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重,用來源豐富的天然植物纖維來填充的聚合物及其再生料,開發(fā)具有高附加值的天然植物纖維復(fù)合材料產(chǎn)品,成為當(dāng)前和今后發(fā)展的迫切需要。盡管天然植物纖維聚合物基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用已取得一定的進(jìn)展,但仍沒充分發(fā)揮天然植物纖維的潛在優(yōu)勢,實(shí)際應(yīng)用在聚

14、合物中的天然植物纖維品種少,一些關(guān)鍵性的技術(shù)如纖維的表面改性、與基體相容性、共混困難、纖維的熱降解等問題尚需解決,并且,從實(shí)用性和商品化的角度看,仍需進(jìn)一步做工作。參考文獻(xiàn)1 陳玉放,揣成智,謝來蘇等.植物纖維熱塑性復(fù)合材料的開發(fā)及有關(guān)問題J.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,1998,10(2):50-53.2 楊文斌,黃祖泰,李堅(jiān),等.植物纖維/塑料復(fù)合材作地板基材的研究.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)J,2005,25(1):10133 J,2005,13(4):55594 鄭玉濤,陳就記,曹德榕,等.改進(jìn)植物纖維/熱塑性塑料復(fù)合材料界面相容性的技術(shù)進(jìn)展.纖維素科學(xué)與技術(shù)J,2005,13(1):45555 M,2004(11):45476 M,2001,11(36):16187 毛延發(fā).植物纖維基復(fù)合材料成型流動(dòng)性及力學(xué)性能研究.J.西安:西安建筑科技大學(xué),20028 藺艷琴,揣成智.熱塑性塑料/天然植物纖維復(fù)合材料的研究M.塑料科技,1999(4):8109 李欣欣,普薩那,張偉,等.天然椰殼纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料M.上?；?1999,14(24):283010 鐘鑫,薛平,丁筠,等.改性木粉/PVC復(fù)合材料的性能研究J.中國塑料,2004,