天然可降解纤维纺织结构复合材料综述

1、天然可降解纤维纺织结构复合材料综述姓名：杨涛 学号：1015033005摘要：本文阐述了天然纤维复合材料的现状及发展趋势，还介绍了天然纤维增强复合材料的最新工业用途。同时还介绍一些大学研究的情况、各种工业产品以及在航空领域中的可能应用，从超轻型飞机上的非结构性零件开始。关键词：天然纤维; 纺织结构; 复合材料。1 天然纤维增强复合材料简介材料是国民经济和社会发展的基础和先导，与能源、信息并列为现代高科技的三大支柱。随着世界经济的快速发展和人类生活水平的提高，以及健康意识和消费意识的增强与成熟，人们对材料及其产品的需求日益增长，且越来越认识到环境问题的重要性，环境材料已成为国际高科技新材料研究中

2、的一个新领域。各国在研究具有净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物、资源再利用等方面做了大量工作，并取得了重大进展。目前，各个行业都致力于传统材料向环境材料的过渡或转型，绿色工程已经以其不可阻挡之势迅猛发展起来。在环境材料中，天然纤维以其资源丰富、可再生且能自然降解的优势占据了重要地位，并且扮演越来越重要的角色。复合材料是适应现代科学技术发展而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料，通过各种工艺组合而成。复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用，得到单一材料无法比拟的综合性能。它具有刚度大、强度高、质量轻等特点，可根据使用条件进行设计与制造，以满足各种特殊用途，从

3、而极大地提高了工程结构的性能。天然纤维复合材料由天然纤维和基体组成。纤维作为增强体分散在基体中，起最主要的承载作用。目前已经把麻、竹纤维大量用作木材、玻璃纤维的替代品来增强聚合物基体，与合成纤维相比,天然纤维具有价廉质轻、比强度和比模量高等优良特性。最为关键的是天然纤维属可再生资源，可自然降解，不会对环境构成负担。以天然纤维为增强体的复合材料同样具有优良的性能，随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭办公用品等各个部门。2 纺织复合材料低成本制造技术进展由于纺织复合材料不仅

4、具有比强度高、比刚度大和重量轻等独特优点,而且还具有能和机械、电子等学科进行交叉,开发出可设计性材料结构的潜力,因而一直以来备受航天企业青睐。复合材料构件的成本远高于铝合金构件,高成本已经成为其更广泛应用的障碍。随着纺织复合材料应用领域的不断扩大,以及航空航天、体育娱乐、交通运输等行业的迅猛发展,纺织复合材料的低成本制造技术显得越来越重要。可以预见,不久的将来复合材料研究生产工作将以降低制造成本为核心展开。因此,如何降低复合材料成本成为目前复合材料研究的一项十分重要的内容。复合材料的成本由纤维、树脂、结构与预浸料和制造成本等成本因素组成,其中制造成本约占72%左右,纤维占13%,结构与预浸料占

5、10%,树脂占5%,因此,降低复合材料的制造成本是降低材料成本的关键。当前有关复合材料低成本制造技术的研究工作主要涉及:(1)采用高效、快速成型的固化方法:电子束、离子束、微波、红外技术;(2)采用高效、快速成型工艺:如RTM、RFI成型和真空吸注成型;(3)推广自动化、机械化生产:如自动铺带技术、自动铺放技术、纤维缠绕技术;(4)研制常温常压条件下固化基体树脂等。3 天然纤维增强复合材料的工业应用由于对环境的关注度不断上升，人们对天然纤维复合材料（NFC）和生物降解材料的开发又重新燃起了兴趣，这对纤维增强塑料来说会是一种新型环保的选择。这些材料有许多优点，包括特有的力学性能、良好的热性能、隔

6、音绝缘特性、低密度、降低的工具磨损、优异的成型性以及安全的碰撞表现（无裂缝）。它们无毒、环保、低成本，容易获得，有助于工作环境更健康、更安全。因此，天然纤维（NF）可以作为低成本增强材料替代玻璃纤维。考虑到有可能采用相同的工艺、工具、员工、设备、控制装置和技术，因此在成本合理的情况下一个简单的替代是可能的。4 天然植物纤维聚合物基复合材料的研究进展我国在2000 年前就利用麻丝和大漆制造漆器。植物纤维与合成树脂进行复合材料的研究,最初是以粉状形式的木纤维作为填料加到热固性塑料中。20世纪80年代后,人们开始对植物纤维/热塑性塑料复合材料进行研究,其中以印度、日本、欧美等国最为活跃。研究者用偶联

7、剂、分散剂等方法来改善木纤维与聚烯烃塑料(PE、PP等)的相容性,得到了较好的结果,并初步探讨了木纤维增强聚烯烃塑料的增强机理。一些植物纤维/热塑性塑料复合材料也实现了商品化,如德国用45%木纤维增强聚丙烯板材造汽车制件,用木纤维增强热塑性塑料的减震压延片材等,产生了很大的经济效益。印度用黄麻、亚麻和剑麻纤维作为热固性和热塑性聚合物的增强材料,其制品也开始在工程上应用。我国有丰富的天然植物纤维资源,特别在我国南方,天然的剑麻纤维、椰纤维、菠萝叶纤维等非常丰富,虽然剑麻纤维的表面改性取得了一定的进展,但目前这些天然植物纤维在增强聚合物材料方面仍未真正地发挥优势,特别是椰纤维,除小部分用作椰纤维垫

8、、绳索和燃料外,大部分是自然遗弃,既浪费资源又污染环境。椰纤维是一种具有多细胞附聚结构的长纤维,除具有优良的力学性能外,还具有较优异的耐湿、耐热和隔音性能,可以作为增强体替代或部分替代合成纤维用于结构材料中,作为热固性和热塑性树脂、橡胶、水泥等的增强材料。利用不同增强体的性能互补,用植物纤维与其它增强体共混增强聚合物,研究开发植物纤维混杂增强聚合物复合材料都有相关报道,如:钟鑫等讨论了利用接枝的方法改性木粉,结果表明,用硝酸铈铵作引发剂引发木纤维表面接枝甲基丙烯酸甲酯,当引发剂浓度为3.0×10-3左右时,材料的拉伸性能、弯曲性能和冲击性能都达到最佳;NaOH溶液浸泡干燥后再与硅烷偶

9、联剂共同处理木粉、接枝改性木粉后复合材料的拉伸强度、冲击强度几乎比只用硅烷偶联剂处理的复合材料增加一倍,材料的韧性和强度都有较大提高。李正红用主成分分析法结合抛物线方程法优化确定植物纤维复合材料若干性能兼优所对应的最佳纤维含量,计算得到竹纤维增强聚丙烯复合材料拉伸强度、弯曲强度、冲击强度及热变形温度4项性能指标兼优的最佳纤维含量为27.71%,复合材料的综合性能有一定程度的改善。丁筠等将木纤维先用一定质量分数的氢氧化钠溶液浸泡,再用硅烷偶联剂进行表面处理的两步改性方法,与只用硅烷偶联剂对木纤维进行表面改性相比,聚氯乙烯/木纤维复合材料的界面黏合性提高,复合材料的力学性能如拉伸强度、冲击强度、断

10、裂伸长率等明显提高,改性效果显著。5 天然植物纤维复合材料的应用领域天然植物纤维如木纤维、麻纤维、竹纤维、椰纤维、棉纤维以及稻草、秸秆、蔗渣等在增强塑料复合材料中都有应用,且制备出的天然植物纤维复合材料性能优良,在很多领域应用前景广阔。5.1 建筑工程木纤维复合材料在建筑工程中的用途极广,例如复合门窗框、扶梯、软质百叶窗。若用多层挤出制型材,内层可采用回收材料,外层用新料,做成复合材的各项机械性能可与硬木产品相媲美。用木纤维复合材料作地板,不胀缩,防水,表面美观,比用中密度木质纤维板要优越得多。近年来,国外已把木纤维复合材料应用到铁路枕木上。我国大多用钢筋混凝土枕木,弹性差,对车辆和路基磨损大

11、,若用木纤维复合材料,则在改善枕木机械性能及经济性上都具优点。21世纪,我国的铁路建设甚多,尤其是西部开发,需要很多枕木,木纤维复合材料就是方向之一。木纤维复合材料在临时建筑隔板、农村建材、别墅、小区室外阳台、室外路面、公共设施(如码头)、交通设施(如汽车、轮船、火车中的部件)中均能应用,因此,木纤维复合材料在建筑工程中的应用前景广阔,是一种优良的替代木材的新型建材。5.2 汽车工业木质原料-聚丙烯材料做的室内装修基材在美国仍有生产,不过厂商已经开始用其他天然纤维原料代替木纤维作为填充材料。在美国用天然纤维增强的热塑性塑料生产汽车内衬件比欧洲发展得慢。由于它完全可满足汽车内饰件对材料性能要求并

12、且优于纯塑料材料,因此,在汽车内饰行业的份额也不断加大,目前已达50%左右。Donald认为,木塑复合材料在汽车工业中的应用得到较快发展的原因是生产工艺简单、生产周期短、可以回收利用、价格低廉以及重量轻等。主要用于轿车门内嵌件、门护板、门饰板、备用胎箱、后备箱板、座椅背板、侧墙板以及仪表盘板等。一家美国大公司采用德国工艺用天然纤维、聚丙烯和聚醋复合材料生产汽车门板,达到4星碰撞水平。其他如仪器底板、搁架、承重地板和驾驶室背板等都已进行了测试。5.3 其他除了用于传统产业外,植物纤维复合材料的更广阔用途是在各种新兴产业的应用。如托盘、花盆、工具手柄、浴缸和办公用品、高速公路路牌、吸音板及音箱、海

13、洋码头工程组件等。货运托盘是目前物流中的重要工具,种类有塑料托盘、木托盘、纸托盘及金属托盘等。目前塑料托盘应用较广。木托盘由于其出口检疫问题而大大降低了市场占有率。新型木塑复合板作托盘,可以降低材料成本,而且耐腐性能优于木材,因此有很强的市场竞争力。6 结语目前,制备聚合物的石油原料越来越缺乏,造成聚合物价格上涨,制品成本增加,再加上纯聚合物制品对环境造成的污染也日益严重,用来源丰富的天然植物纤维来填充的聚合物及其再生料,开发具有高附加值的天然植物纤维复合材料产品,成为当前和今后发展的迫切需要。尽管天然植物纤维聚合物基复合材料的研究和应用已取得一定的进展,但仍没充分发挥天然植物纤维的潜在优势,

14、实际应用在聚合物中的天然植物纤维品种少,一些关键性的技术如纤维的表面改性、与基体相容性、共混困难、纤维的热降解等问题尚需解决,并且,从实用性和商品化的角度看,仍需进一步做工作。参考文献1 陈玉放,揣成智,谢来苏等.植物纤维热塑性复合材料的开发及有关问题J.现代塑料加工应用,1998,10(2):50-53.2 杨文斌,黄祖泰,李坚,等.植物纤维/塑料复合材作地板基材的研究.福建林学院学报J,2005,25(1):10133 J,2005,13(4):55594 郑玉涛,陈就记,曹德榕,等.改进植物纤维/热塑性塑料复合材料界面相容性的技术进展.纤维素科学与技术J,2005,13(1):45555 M,2004(11):45476 M,2001,11(36):16187 毛延发.植物纤维基复合材料成型流动性及力学性能研究.J.西安:西安建筑科技大学,20028 蔺艳琴,揣成智.热塑性塑料/天然植物纤维复合材料的研究M.塑料科技,1999(4):8109 李欣欣,普萨那,张伟,等.天然椰壳纤维及其增强复合材料M.上海化工,1999,14(24):283010 钟鑫,薛平,丁筠,等.改性木粉/PVC复合材料的性能研究J.中国塑料,2004,