植物纤维增强可生物降解复合材料的研究探讨.docx

植物纤维增强可生物降解复合材料的研究探讨王溪繁1 ,2 ,王国和1(1 . 苏州大学纺织与服装工程学院 ,江苏苏州 215021 ;2 . 中航工业航宇救生装备有限公司 ,湖北襄樊 441003)摘 要 :植物纤维增强可生物降解复合材料具有强度高 ,质量轻等优异的性能 ,其废弃后可被土壤中的微生物降解成 co2 和 h2 o ,不污染环境 。本文探讨了植物纤维复合材料的组成 、研究现状 ,并阐述了其在各领域中的应用 。关键词 :植物纤维 ;可生物降解 ;复合材料复合材料具有质量轻 、强度高 、价格便宜等显著优点 ,在生活 、工业中被广泛的应用 ,目前常见的有 碳纤维复合材料 、玻璃纤维复合材料 、芳纶纤维复合材料 ,但这些复合材料的废弃物会排放大量有毒物 质 ,破坏了生态环境 , 为 了人 类 拥有 美好 的生 存 空 间 ,必须用可生物降解复合材料来代替传统的复合材料 。以麻类纤维 、竹纤维 、甘蔗渣 、废弃木材或木粉 、秸杆 、稻壳 、花生壳 、椰子壳等植物纤维为增强 体 ,可生物降解树脂为基体制作的复合材料成为材 料学科中的热点 ,它们的废弃物在土壤中会被微生 物降解成 co2 和 h2 o ,不会留下任何有毒物质 。素 要 高 于 麻 类 纤 维 , 特 别 是 木 质 素 , 毛 竹 达 到301 67 % , 慈 竹 高 达 311 28 % , 而 苎 麻 仅 为 01 8 %11 5 % ,亚麻为 21 5 %41 0 % ,竹纤维中这三者含量 为纤维干重的 90 %以上 , 苎麻纤 维 中则 占 80 %92 % ,其中纤维素主要起到强度方面的作用 ,木质素 和半纤维素等成分主要起到韧性方面的作用 。竹纤 维中果胶和灰分的含量比苎麻 、亚麻 、大麻纤维低 。表 2各种植物纤维成分比例成分毛竹慈竹苎麻亚麻大麻黄麻纤维素半纤维素 木质素果胶 脂蜡质灰分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可生物降解复合材料的组成11 . 2可生物降解树脂可生物降解树脂在医疗生物 、复合材料方面有 一定的研究 ,目前常见的可生物降解树脂有 :聚乳酸( pl a) 、32聚羟基丁酸酯和 32聚羟基戊酸酯的共聚 物 ( p hb v ) 、聚 羟 基 丁 酸 酯 ( p hb ) 、聚 己 内 酯( pcl ) 、聚 丁 二 酸 丁 二 酯 ( pb s ) 、热 塑 性 淀 粉( t ps) 、聚碳酸亚丙酯 ( p pc) 。可生物降解树脂的 原材料资源丰富 ,且该树脂对环境的污染较小 6 。1 . 1 增强用植物纤维植物纤维 125 的化学成分主要是纤维素 、半纤维 素和木质素 ,三者同属于高聚糖如表 1 ,总量占纤维干质量的 90 %以上 , 其次是蛋白质 、脂肪 、果胶 、单 宁 、色素 、灰分等 ,大多数存在于细胞内腔或特殊的 细胞器内 ,直接或间接地参与其生理作用 。表 1纤维素 、半纤维素和木质素的组成纤维组成物单体组成分子形态纤维素半纤维素 木质素线性高聚物线性高聚物 三维网状高聚物c6 h12 o 6c6 h5 c h2 c h2 c h3多缩戊糖2可生物降解复合材料的研究现状竹类 、麻类纤维资源丰富 ,在人类生活上的应用有着悠久的历史 ,从表 2 可以看出毛竹 、慈竹中纤维素含 量要比苎麻 、亚麻低 ,接近于黄麻 ,但要高于玉米秆 (38 %40 %) 、麦秆 ( 34 . 8 %) 。而木质素和半纤维2 . 1国外研究现状近几年来 ,欧美 、日本等国的研究者已经对可生 物降解复合材料进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纤 维 与 pcl 、1192011 年第 3 期现代丝绸科学与技术p hb v 、pb s 、pl a 复合材料的降解性能 ,并比较了麻蕉纤维的加入对各种复合材料降解程度的影响 。 be nja mi n ba x ,j o r g m u ssi g 8 采用注塑成型工艺研 究了 亚 麻 增 强 pl a 的 复 合 材 料 、co r de n ka 增 强 pl a 的复合材料 ,在亚麻/ pl a 复合材料中共制作了亚麻含量为 10 % 、20 % 、30 %三种板材 ,在 co r de2nka/ pl a 材 料 中 制 作 了 co r de n ka 含 量 为 10 % 、20 % 、30 % 、40 %四种板材 ,通过测试 ,发现当 co r d2 e n ka 含量为 30 %时 , co r de nka/ pl a 复合材料冲击 强度 、拉 伸 强 度 达 到 最 大 值 分 别 为 72 kj / m2 和58 m pa ;发现在亚麻/ pl a 复合材料中最 大杨 氏 模 量是 6 . 31 gp a 。se ung2hwa n l e 和 siqun wa ng 9 在竹纤维增强 pl a 、pb s 中用 l d i 作为添加剂 ,随 着 l d i 的增加 ,复合材料的拉伸强度 、耐水性能 、增 强体和基体的粘结性能得到了提高 。shi nji oc hi 10 研究了红麻增强 pl a ,对红麻进行了热分析后确定 了复合材料的模压温度为 160 , 当红麻的质量分 数为 50 % 的 时 候 , 拉 伸 强 度 与 弯 曲 强 度 达 到223m pa 和 254m pa ,并在实验室模拟了自然降解过 程 。s. wo ng 和 r . a . sha nk s 11 等用亚麻纤维增强pl a 和 p hb 的二元共聚物 ,研究了各种添加剂对 界面剪切强度的影响 ,并用扫描电镜分析了拉伸断 裂截面的断裂形貌 。vila seca 12 等发现用碱液处理 黄麻纤维能有效提高麻纤维/ 淀粉复合材料的抗弯 性能和冲击强度 ,同时分析了基体和黄麻的界面粘结性能 。sa njeev 13 研 究 了 枫 木 粉/ p hb v 复 合 材 料的机械 力 学 性 能 和 热 学 性 能 , 当 枫 木 粉 含 量 为40 %的时候 ,拉伸强度和弯曲强度比纯的 p hb v 板 材提高了 167 % ,储能模量提高 ,热变形温度提高了21 % ,然 而 热 膨 胀 系 数 降 低 了 18 % 。m . mo r reale和 r. scaff a ro 14 通过改变木粉的含量 、直径和热处 理来研究木粉增强淀粉基复合材料 ,结果表明随着 木粉含量的增加 ,复合材料的刚度变大 ,断裂伸长率 急剧降低 ,同时研究了复合材料的耐水性能 。2 . 2 国内研究现状应宗 荣 、戚 裕 15 等 人 研 究 木 粉/ pl a 复 合 材 料 ,随着木粉用量的增大 ,拉伸强度有所增强 ,在木 粉质量分数为 40 %时达到最大值 ,复合材料的拉伸 强度高 达 79 . 4m pa , 比纯 聚 乳酸 高 41 . 8 % 。袁 利 华 、韩建 16 等人研究了黄麻的铺层方向和黄麻的含量对黄麻/ pl a 复 合材 料 力 学 性 能 的 影 响 , 当 =45时 ,其复合材料的力学性能最优 。王艳玲 、戚嵘 嵘 17 研究了木粉与 pl a 的相容性和力学性能 。万 春杰 、余剑英 18 用碱处理苎麻纤维及改变苎麻纤维长度 ,描述了苎麻/ 聚碳酸亚丙酯复合材料拉伸强度和冲击强度的变化状况 ,并对复合材料的冲击断口 形貌进行了分析 。曹勇 、陈鹤梅 19 等人用甘蔗渣纤 维增强聚己内酯 ( pcl ) 和淀粉的混合物 ,分析了纤维的热分解性能 ,研究了纤维质量分数和纤维长度 对材料弯曲模量的影响 。王春红 、王瑞 20 等人以亚 麻落麻纤维 、pl a 为原材料 ,采用模压方法制作了 复合材料 ,研究了模压温度对材料力学性能的影响 。 刘训垫 、滕翠青 21 制备了聚乳酸一聚己内酯 ( pl a2pcl ) / 苎麻复合材料 ,研究了复合材料的力学性能 变化情况 ,找到了最优工艺条件 21 。3复合材料的应用德国的研究机构对复合材料市场需求及用途进行了调查 ,常见用在以下行业中 22226 。 航空航天方面 :复合材料不仅质量轻 ,且具有优异的力学性能 、耐湿热性和介电性能 ,在航空航天产 品方面得到了广泛的应用 ,如机舱内饰件 、仪器表盘等 ,节约成本 、减轻负重 。建筑装饰和土工材料 : 用于建筑装饰中的纤维 增强复合材料具有质轻 、高强 、保温 、隔热 、吸音 、抗震好等特点 ,例如复合门窗框 、扶梯 、软质百叶窗 、地板 、室外路面等 。汽车行业的应用 : 纤维增强复合材料在汽车市 场得到较快发展的原因是生产工艺简单 、价格低廉 、 力学性能好 、重量轻 、省油和减少尾气排放等 。具体用作如保险杠 、车后举门 、踏板饰件 、仪表板 、座椅扶 手骨架 、电池托架 、备胎箱 、车身底板系统等 。过滤材料 :工业生产中会伴随着有毒气体 、液体 产生 ,而且一些原材料会随着液体或者气体一起被 排放掉 ,造成浪费 ;因此纤维复合材料可广泛用于化工 、医药 、食品等行业的气体 、液体过滤 ,降低生产成 本 ,降低污染 。包装用材料与其他方面 : 常见的纸箱力学性能 差 ,使用寿命有限 ,用植物纤维增强复合材料制作的包装箱能克服上述缺点 。其他方面应用如电缆包覆 材料 、磁碟衬料 、托盘 、工具手柄 、路牌 、音箱 、手机外壳以及用作一些特殊功能的填充料等 。4结语环境保护和节约能源是人们最关心的问题 ,传统复合材料消耗了大量的石油资源 ,废弃后不能被120现代丝绸科学与技术2011 年第 3 期自然界降解 ,释放有毒物质 。而可生物降解复合材料的原材料资源丰富 ,成长周期较短 ,废弃后的复合 材料可被土壤中的微生物降解成二氧化碳和水 ; 原 材料和成品能给社会带来巨大的经济效益 ,增加国 民收入 。因此开发可生物降解复合材料是利国利民的重要研究课题 。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 bricatio n a nd p erfo r ma nce eval ua2 tio n j . co mpo sit es science a nd techno2lo gy , 2007 , 67 ( 9 ) :175321763 .m. mo r reale , r . scaff a ro . eff ect of addi ng woo d flo ur to t he p hysical p rop ertie s of a bio degrada ble pol ymer j . co mpo s2 it e s par t a : applied science a nd ma nuf act uri2ng , 2008 , 39 ( 3) :5032513 .应宗荣 ,戚裕 ,王志高. 聚乳酸/ 木粉复合材料的结构与性能研究j . 塑料工业 ,2008 ( 36) :21224 .袁利华 ,韩建 ,徐国平. 可降解 pl a/ 黄麻新型复合材料的制 备与力学性能j . 浙江理工大学学报 ,2007 ,24 ( 1) : 29230 . 王艳玲 ,戚嵘嵘 ,刘林波. 聚乳酸基木塑复合材料的相容性研 究j . 工程塑料应用 ,2008 ,36 ( 1) : 20222 .万春杰 ,余剑英. 苎麻/ 聚碳酸亚丙酯复合材料力学性能的研 究j . 武汉理工大学学报 ,2007 ,29 ( 3) : 9211 .曹勇 ,陈鹤梅. 甘蔗渣纤维增强可降解复合材料的制备与弯曲 模量的预测 j . 高分子材料科学与 工程 , 2006 . 22 ( 4 ) : 1882191 .王春红 ,王瑞. 亚麻落麻纤维/ 聚乳酸基完全可降解复合材料 的成型工艺 j . 复合材料学报 ,2008 ,25 ( 2) :63267 .刘训垫 ,滕翠青 , 余木火. 苎麻织物增强 pl a2pcl 复合材料 的制备及其性能研究j . 塑料工业 ,2007 ,35 ( 1) :22224 . michael car u s ,chri stia n ga hle . injectio n mo ul di ng wit h nat u2 ral fi bresj . rei nfo rceed pla stics , 2008 ,52 ( 4) :18222 . 杨德旭 ,张林文. 天然纤维复合材料在建筑装饰上的应用 j . 纤维复合材料 ,2005 ( 4) :39242 .倪敬达 ,于湖生. 天然植物纤维增强复合材料的研究应用 j .化纤与纺织技术 ,2006 ( 2) :29233 .颜大为. 竹纤维增强塑料 ( b fr p) 复合材料的研究 d . 合肥 工业大学硕士论文 ,2006 .常冬艳 ,王春红. 纤维增强塑料在汽车领域的应用j . 非织造 布 ,2006 ,14 ( 3) :31232 .收稿日期 :2010209225 13 14 参考文献 :何建新 ,章伟 ,王善元. 竹纤维的结构分析j . 纺织学报 ,2008 ,9 ( 2) :20224 .衡书 ,钟文燕. 竹纤维的开发与应用j . 2003 ( 4) :30236 . 孙志峰. 烷基化改性苎麻纤维的研究 d . 陕西师范大学硕士 论文 ,2007 .王磊磊. 罗布麻纤维结构及成分初探 d . 青岛大学硕士论文 ,2007 .张之亮. 桑皮纤维脱胶工艺和结构性能研究 d . 东华大学硕 士论文 ,2005 .张瑜. 竹纤维/ p hbv 复合材料的力学性能研究j . 纺织学报 ,2004 ,25 ( 6) : 38240 .tera mo to n , u rat a k ,ozawa k ,et c . bio degradatio n of alip hat2 ic pol ye st er co mpo sit e renfo rced by a baca fi ber j . pol ymer degradatio n a nd st a bilit y ,2004 ( 86) : 4012409 .benja mi n ba x ,j ? r g mssig . imp act a nd t en sile p rop erties ofpl a/ co r denka a nd pl a/ flax co mpo sit e sj . co mpo sit e s sci2ence a nd technolo gy ,2008 ( 68) :160121607 .seung2hwa n l ee , siqun wa ng bio degrada ble pol ymer s/ ba m2 boo fi ber bioco mp2o sit e wit h bio2ba sed co upli ng agent j . co mpo sit e s : pa rt a ,2006 , ( 37) :80291 . 1 15 2 3 16 17 4 18 5 19 6 7 20 21 8 22 9 23 24 10 shi nji ochi mechanical p ropertie s of kenaf fi ber s a nd kenaf / pl a co mpo sit e sj . mecha nics of mat erial s , 2008 ( 40 ) : 4462452 . 11 s. wo ng , r. a . sha n k s. eff ect of additive s o n t he i nt erf acial st rengt h of pol y ( l2lactic acid ) a nd pol y ( 32hydro xy but yric aci d) 2fla x fi bre co mpo sit e sj . co mpo sit e s science a nd tech2 nolo gy ,2007 ,67 ( 11212) : 247822484 . 12 f . vila seca ,j . a . mendez , a . plach . co mpo sit e mat erial s de2 25 26 su sh ma kal mo dia , shilpi goenka , tap a s l a ha et al . 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 .赵萍 ,赵冬梅 ,孙康宁 ,等. 碳纤维/ 碳纳米管增强磷酸钙生物 复合材料的血液相容性研究 j . 现代生物医学进展 , 2008 ,8 ( 10) : 185221854 .卢志华 ,孙康宁. 羟基磷灰石/ 碳纳米管复合材料的制备及 其细胞毒性研究j . 材料导报 :研究篇 , 2010 ,24 ( 1) : 47249 . 孟洁 ,郭小天 ,