國內外天然纖維增強復合材料的技術進展 zund G3 3XL-1600-Polypropylene台中雷射雕刻 @ 張玉依焦點新聞熱搜

【摘　要】：天然纖維增強復合材料是產業用紡織品領域的一個重要研究課題。由于取材于可再生原料,對環境危害小,且具有優良的加工性能和聲學特性,近年來在歐美地區發展較快。本文主要介紹了以麻纖維為增強相的復合材料的加工技術、性能特點及成本優勢,并探討了開發生物復合材料的可能性。
【關鍵詞】：碳纖維增強復合材料玻璃纖維技術進展生物復合材料植物纖維復合材料天然植物纖維機械性能產業用紡織品麻纖維亞麻

　　天然植物纖維是增強復合材料可選擇的原料之一，自2005年以來一直保持著 10% ～ 15% 的年增長率。植物纖維密度較低，僅有 1.5 g/cm3左右，具有節省物料消耗的潛力。以平均值計算，天然纖維增強復合材料的能源消耗比玻璃纖維要低 60%。
　　天然纖維復合材料具有優良的加工性能和聲學特性，并在很多方面超越玻璃纖維增強材料，如很好的生命循環特征等。近來，歐洲植物纖維復合材料的研究取得了很大進展，產品已在汽車內裝飾、車廂材料等方面使用。可以說利用可再生纖維資源做原料，是技術紡織品持續增長的一個重要方向。
　　
　　1天然纖維在增強復合材料上的應用
　　
　　聚合物纖維可廣泛用于工程領域，但在相當多的使用條件下，其性能并不能完全滿足要求，這給纖維增強復合材料的開發提供了空間。強度是纖維復合材料的重要評價指標之一。通常復合材料的結構、機械性能及熱性能等可依據纖維添加量、纖維取向程度和長度的變化而改善。目前，優化復合材料的性能/重量比，提高制品強力、剛性與重量比，降低成本及加工過程對環境的沖擊，改善可用性和安全性正成為復合材料技術進步的主流趨勢。
　　用作增強的纖維材料包括有機及無機纖維材料。除高性能聚合物纖維、玻璃纖維外，天然植物纖維也具有加工增強復合材料的鮮明特點。大量研究結果顯示，環氧樹脂/亞麻、木漿纖維/PE、劍麻/PE、黃麻/PE、棉纖維/PP、苧麻/PP、黃麻/PP、劍麻/PP、黃麻/PET等的研究和開發都取得了可喜進展。由于生物高分子技術的進步，目前已有可能制得生物聚合物復合材料。在種植、加工、制品成型及使用中，其明顯的低碳經濟特征，具有引領轉變生產模式、改變人們高碳消費傾向和碳偏好的可能，因而正形成產業用紡織品一個新的開發領域。表 1 為幾種主要的纖維增強復合材料的性能特征比較。
　　
　　和常用的玻璃纖維相比，作為增強復合材料的植物纖維通常具有以下特點。
　　（1）植物纖維復合材料的機械特點
　　一般說來，植物纖維復合材料機械性能的變化，取決于纖維含量、空隙度、纖維取向度、纖維及基質的特性。
　　以典型的熱塑性聚合物PP為例，以其作復合材料基質，單一PP聚合物密度為 1.0 g/cm3，剛性指標 1.5 GPa。實驗結果顯示，在其他條件設定好的狀態下，將植物纖維置于 3 種取向態時，其復合材料剛性的大值分別為：單取向纖維 20 ～ 30 GPa，兩維無序（2D Random）取向纖維 7 ～ 11 GPa，三維無序（3D Random）取向纖維 3 ～ 5 GPa。
　　（2）植物纖維添加量對復合材料性能的影響
　　高性能的植物纖維具有優良的機械性能，其密度通常在 1.5 g/cm3，而玻璃纖維的密度是 2.6 g/cm3。即使用同樣重量纖維的條件下，植物纖維的復合材料可以獲取更高的剛性指標。
　　（3）植物纖維復合材料具有成本上的優勢
　　工業品生產中，制造成本對企業來說至關重要。盡管植物纖維源于低成本的生物質資源，但仍需投入多項費用，如種植投入、纖維提取加工費用以及纖維轉化為適宜復合材料加工的預制品加工費用等。一般來說，兩維無序纖維作原料，其預制品成本較低。加工成非織造布氈的形式，其預制品加工費偏高，約 1.8 歐元/kg，而玻璃纖維氈預制品的加工費高達 2.6 歐元/kg。可以認定，植物纖維非織造氈預制品的低成本，可以決定其復合材料在相同成本下的條件下獲得更佳的機械性能。表 2 為幾種常用的增強復合材料用纖維材料的價格比（以玻璃纖維作為參照）。
　　　
　　2天然植物纖維的結構特征
　　
　　植物纖維微原纖維角θ呈螺旋狀取向，如圖 1 所示，其復合材料的彈性和斷裂強度指標取決于增強纖維含量及其取向度。同類纖維材料的物理性能同其化學組成、結構、纖維含量、微原纖維角、纖維截面及聚合度變化有關。
　　
　　玻璃纖維是增強復合材料的主要原料品種。而高性能亞麻、蕁麻纖維的抗拉剛性要優于玻璃纖維，機械性能也與玻璃纖維相似。麻纖維與其他天然纖維一樣，當處于激烈震蕩條件下時易于出現斷裂，纖維大分子輕度滑移，表現出一定的減震功能。亞麻膨脹系數趨于零，斷裂伸長率1.5%，基本與碳纖維相近，完全可做復合材料增強組分。此外，亞麻密度（1.45 g/cm3）比鋼（7.8 g/cm3）、碳纖維（1.70 g/cm3）和玻璃纖維（2.45 g/cm3）均小。表 3 為可用做增強復合材料的麻纖維與玻璃纖維的技術特征比較。
　　
　　在可用做增強復合材料的麻纖維的評價中，有兩個重要數值，即E/d值和δ/d值，前者是纖維的楊氏模量與密度比，后者是纖維的斷裂應力與密度比。表 4 為玻璃纖維及幾種麻纖維的E/d值和δ/d值比較。
　　從表 4 可以看出，麻纖維在復合材料上使用具備非常好的機械性能。
　　
　　3天然植物纖維增強復合材料的技術開發現狀
　　
　　隨著環保意識的日益增強，自20世紀50年代以來，天然植物纖維增強復合材料開始在乘用車內飾領域使用。在歐洲、北美等市場，熱塑性、熱固性植物纖維復合材料被用于制做汽車門板、包廂和坐椅等中。如利用 50% 的PP和 50% 的天然纖維制成的增強復合材料，其克重為 450 ～ 2 400 g/m2，產品供給北美汽車市場，用戶包括克萊斯勒、奔馳SUV和福特等。
　　德國Quadrant公司開發的植物纖維增強復合材料在汽車內裝飾領域占有重要位置，其“Nafcoform”產品，使用50% 的PP和 50% 的洋麻、大麻或亞麻，產品克重 300 ～ 3 000 g/m2，目前已用于奧迪A8、三菱汽車、BMW � 7和伊維柯等中。

　　克萊斯勒公司2005年開始在A級兩門乘用車上使用植物纖維增強復合材料，使用的產品包括瑞士Reiter（立達）公司提供的PP/馬尼拉麻天然纖維增強復合材料。目前PP、PE與含量為 25% ～ 75% 的洋麻、大麻或其他纖維素纖維制成的復合材料也已投放市場。
　　法國Lineo公司開發了亞麻與環氧樹脂的增強復合材料，其預浸漬制品的技術特征如表 5 所示。
　　
　　使用 50% 的亞麻和 50% 的碳纖維制得的亞麻/碳纖維增強復合材料，可用做自行車構架，并已通過公路試驗取得了認可。在該復合材料中，碳纖維承載剛性負荷，而亞麻纖維可起到減震作用。近期該纖維增強復合材料正于自行車輪轂上試用。
　　采用洋麻/亞麻混合組分（混合比 50/50）為增強相，以非織造布形式與環氧樹脂制得熱固性增強復合材料，產品已用于汽車內裝飾。
　　法國Ralf Schledjewski集團使用洋麻/大麻為混合組分制成的針刺氈，于 20 bar壓力下，采用丙烯酸系樹脂預浸工藝制得熱固性增強復合材料，其機械性能完全可以滿足汽車內飾及部件制品的技術要求。
　　鑒于亞麻纖維的剛性及與碳纖維相似的膨脹系數，可以開發工具類產品系列，即以亞麻纖維復合材料替代部分碳纖維復合增強制品。
　　隨著能源壓力和低碳消費呼聲的增長，汽車工業面臨著巨大的競爭壓力，日本市場的動向顯示，期望繼續改進天然纖維復合材料品質，用以替代或減少玻璃纖維帶來的危害。歐洲雖然至今尚未出臺限定使用天然纖維復合材料的相關法規，但隨著石油資源的不斷減少，天然纖維復合材料的市場潛力已被越來越多的人們所認知。美國福特公司分析認為，天然植物纖維可與玻璃纖維混合使用，或制成以天然纖維為芯、玻璃纖維包敷其外的三明治結構產品投放市場。
　　天然纖維復合材料雖然在阻燃、燃燒狀態時無煙和無毒釋放性能上不及一些高性能纖維復合材料，當然這些缺陷也限制了其在航空、鐵路和高速公路領域中的使用，但在汽車內飾、建筑與裝飾材料以及運動和休閑制品領域具有可拓展的空間。
　　
　　4生物增強復合材料（Biocomposites）的技術進展
　　
　　生物增強復合材料是新一代復合材料，近年來受到廣泛關注，其中細菌纖維素/PLA、改性劍麻/大豆蛋白質基的生物可降解高分子材料等生物復合材料的研究開發取得了可喜進展。
　　生物增強復合材料由兩個或多個分布區相組成，增強相之一即植物纖維或植物源纖維，主要是棉、麻、再生木材等。其他部分是基質相，多為以植物油脂、淀粉基為原料的聚合物。
　　英國Wales大學生物復合材料中心認為，傳統復合材料的性能形成規律與因素適用于新的生物復合材料，即可指導生物復合材料的合成過程，以獲取期望的性能，如纖維分布、多孔性、纖維取向及基體性能等。
　　法國JRS公司開發出一系列以植物纖維和生物可降解聚合物為原料的復合材料，如以淀粉基聚合物/木纖維為原料的系列產品，即淀粉基聚合物/木纖維分別為 80/20、70/30 和 60/40。木纖維的添加可以使復合材料的楊氏模量提高 6.5 倍。另外，該公司使用植物源聚酯和木纖維制得了“Biofibre”復合材料系列產品，包括PL30E11和PL30E26品種；采用纖維素纖維和PLA成功得到了生物復合增強材料，其中纖維素纖維的添加大大改善了PLA的成型性能，并增強了纖維組分分布的均勻性，產品適用性好，還降低了加工成本。
　　法國Alex材料研究中心使用淀粉基聚合物與植物纖維，如棉短絨、大麻、麥桿、纖維素等為原料制得了生物增強復合材料。添加這 4 種植物纖維后，復合材料制品的耐沖擊性能明顯提高，均超過聚苯乙烯板材（耐沖擊強度為 0.7 kJ/m2）。其中纖維素復合材料的E/d值超過了聚苯乙烯，結果如表 6 所示。
　　
　　澳大利亞Queensland大學使用蓖麻籽為原料，制得了單一生物質原料的生物復合材料。即首先將蓖麻籽轉換為蓖麻籽油，進而制得11 � 氨基十一酸。后配置 30% ～ 40% 的氨基十一酸的水分散液，進行 3 段縮聚形成聚酰胺11（PA11）。以PA11為原料，熔法紡絲成形制得PA11的初生纖維，纖維切斷長度 3 ～ 7 mm，纖維直徑 30 ～ 35 μm；工業用纖維束切斷長度 150 ～ 500 mm，纖維直徑 75 ～ 200 μm。纖維密度 1.232 g/cm3，熱降解溫度 230 ℃。
　　PA11纖維成型前需進行水浸集束上漿處理，后與PA11聚合物復合，經壓塑成型得到新型生物復合材料。復合材料增強相的纖維分布中，無規分布占 30%，取向部分占 30% ～ 35%。材料密度 1.16 ～ 1.22 g/cm3，具有良好的機械性能，燃燒狀態下無煙，無毒性氣體釋放，其技術特征如表 7 所示。
　　
　　蓖麻作為原料生長期短，單產 10 t/hm2，高于亞麻和大麻。與傳統的復合材料相比，CO2排放量可減少 40%。與環氧樹脂復合材料比，影響氣候變化的因素可降低 50%。基于其優良的阻燃性能，還可用于航空、運輸領域的內裝飾材料。目前以蓖麻為原料的單一生物增強復合材料的繼續研究和改進主要集中在以下 4 個方面，即：蓖麻生長條件與PA11纖維性能的關系；不同品種蓖麻品質的鑒定；改進水浸和上漿條件；PA11纖維吸濕性與使用性能的關系研究。
　　
　　5國內可利用的天然植物資源及其增強復合材料的開發
　　
　　麻纖維特別是黃麻或亞麻具有極佳的機械性能，從生產規模上看，目前其從種植到纖維加工已形成完整的產業鏈。因此說，開發麻纖維增強復合材料相對來說要容易許多。
　　亞麻、大麻、黃麻、洋麻屬韌皮纖維，而劍麻、赫納昆（Henequen）纖維、菠蘿纖維、香蕉莖纖維等系葉纖維。大麻已在 40 多個和地區種植，加拿大Hempline公司的大麻增強復合材料已于20世紀90年代投放市場。近 10 年間，洋麻在增強復合材料上的使用正穩步發展，其剛性是亞麻、大麻、黃麻產品的兩倍。
　　我國具有悠久的麻類纖維種植歷史，品種較為齊全，主要栽培品種包括苧麻（產區為湖南、湖北、四川、山東與河南）、亞麻/胡麻（黑龍江、吉林、四川/甘肅、內蒙古和寧夏）、大麻（安徽、河南、山東和云南）、黃麻/洋麻（浙江、山東/河南、安徽、湖北、四川）、劍麻（廣東、海南、福建、云南）等。此外還有野生的羅布麻（新疆、山東、江蘇和內蒙古）等。其中，苧麻、亞麻、黃麻、洋麻已形成較為完整的工業規模。
　　目前，天然纖維熱塑性/熱固性增強復合材料正在乘用車市場中使用，在卡車、大型巴士等領域也展現出了市場潛力。近年來我國植物纖維增強復合材料，諸如劍麻纖維/酚醛樹脂、苧麻落麻纖維/PVC、黃麻纖維/PP以及仿生啞鈴型黃麻纖維增強復合材料等的研究也取得了不小的進步。應該說，加強國內天然植物纖維復合材料的開發力度，是市場、環境和合理地利用資源的需要。
　　
　　6結束語
　　
　　植物纖維增強復合材料使用的是可再生纖維素資源，其對環境的沖擊較之于常規的復合材料要低得多。隨著低碳經濟發展理念日益深入人心，轉變生產模式，以經濟、合理和環境友好的技術途徑，利用纖維素資源是持續發展的需要，而以植物纖維與生物可降解聚合物制得的生物增強復合材料展現了產業用紡織品一個新的開發領域。

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