高性能天然纖維復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用研究

高性能天然纖維復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用研究

1.竹材的結(jié)構(gòu)與特性（1）由于其抗張強(qiáng)度高于其他天然纖維，毛和竹等天然纖維可以稱為高性能天然纖維。麻類纖維包括一年生或多年生草本雙子葉植物的韌皮纖維,如苧麻、亞麻等,和單子葉植物的葉纖維如劍麻、鳳梨麻等。麻纖維微觀結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性,它的細(xì)胞長度和寬度根據(jù)不同種類從0.5×104μm～5×104μm,寬度為20～50μm。它的橫截面為有中腔的腰圓形或多角形,縱向有橫節(jié)和豎紋。麻纖維主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等組成(見表1和表2,其機(jī)械性能隨其生長條件和種植時(shí)間不同而變化,但因其組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及連續(xù)長度較長等原因,在天然纖維類材料中具有較高的強(qiáng)度和可加工性,用于衣著、裝飾或特殊產(chǎn)業(yè)制品,具有較好的吸濕性和透氣性。麻類纖維的微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出典型的復(fù)合材料特征,這說明麻類纖維是天然的復(fù)合材料。幾種主要的麻類纖維與玻璃纖維性能的比較列在表3中。竹類等天然多相材料體系,按復(fù)合材料的廣義定義,也屬于復(fù)合材料范圍。竹具有眾多復(fù)合材料的特性。首先,竹具有復(fù)合材料的組成特點(diǎn)。從組成竹的分子的尺度來分析,竹由纖維素,木質(zhì)素和半纖維素組成(如表1所示)。從細(xì)觀尺度分析,竹材是由作為承載元件的纖維(維管束厚壁細(xì)胞,長約1000～3000μm,直徑約10～30μm)和起粘結(jié)和傳載作用的基體(薄壁細(xì)胞)組成。竹材的承載能力主要靠由基體粘結(jié)起來的纖維提供。其次,竹具有各向異性這一典型的復(fù)合材料特性。竹材中的維管束厚壁細(xì)胞即竹纖維沿竹的軸向比環(huán)向排列較多,這使得其軸向的性能比其環(huán)向的性能要高。竹節(jié)部位纖維少,分布不規(guī)則,且空隙較多,其性能只有節(jié)間值的50%。竹外層有蠟狀物,而內(nèi)層細(xì)胞呈雜亂狀。第三,與一般的復(fù)合材料不同,竹材還是一種天然的性能梯度分布復(fù)合材料。一方面,從橫截面竹環(huán)上可明顯看出,竹材中的維管束厚壁細(xì)胞即竹纖維沿徑向從內(nèi)層到外層逐漸增多。纖維體積分?jǐn)?shù)呈下述規(guī)律分布式中,a為竹環(huán)內(nèi)徑;b為竹環(huán)外徑;r(a≤r≤b)表示竹環(huán)內(nèi)緣到外皮纖維層的垂直距離。如果用Vf和Ef分別表示其纖維的體積分?jǐn)?shù)和楊氏模量,Vm和Em分別表示其基體的體積分?jǐn)?shù)和楊氏模量,Ec表示竹復(fù)合材料的楊氏模量,將竹皮部位(r=b)的楊氏模量約20GPa視為竹纖維的楊氏模量Ef,而竹黃部位(r=a)的楊氏模量約1GPa視為竹中基體的楊氏模量Em,則依復(fù)合材料的性能混合率,有:另一方面,由于光合作用充分,與下部相比,竹材靠上部的纖維層較厚且排列整齊,纖維含量沿竹桿軸向自下向上增加,因此其強(qiáng)度和剛度也是沿竹桿軸向自下向上增加。(2)麻和竹等高性能天然纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量,適合于做為復(fù)合材料增強(qiáng)劑復(fù)合材料的特點(diǎn)之一是其高的比強(qiáng)度和比模量。所謂比強(qiáng)度和比模量分別就是其強(qiáng)度(σ)和模量(E)與其密度(ρ)的比值,如果強(qiáng)度和模量量綱用MPa和GPa,而密度量綱用g/cm3,則比強(qiáng)度和比模量的量綱為長度量綱m或km。表3和4表中σ1T和E1T分別表示縱向拉伸強(qiáng)度和模量)給出了麻和竹等高性能天然纖維與其他材料的比較。從中可以看出,雖然麻和竹等天然纖維的拉伸強(qiáng)度和模量都比玻璃纖維的低,但是,麻尤其是苧麻纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維的接近;竹的性能可與單向玻纖聚酯板和中碳鋼媲美。由此可知,它們可以用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。(3)麻和竹等高性能天然纖維是一種豐富的、生長期短的可再生資源這兩種纖維在我國南方具有資源優(yōu)勢,苧麻是湖南省的特產(chǎn),2000多年以前其種植和加工技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá),這從長沙馬王堆一號(hào)漢墓出土的文物可以看出。我國的苧麻產(chǎn)量占世界的93%,而湖南的苧麻產(chǎn)量占全國的40%,其加工能力、技術(shù)水平以及出口創(chuàng)匯位居全國第一。苧麻纖維性能在所有麻類纖維中是最好的,纖維強(qiáng)力高,纖維素含量大,是唯獨(dú)可以單纖維狀態(tài)紡紗的麻類纖維,同時(shí)還具有吸濕散濕快和抗菌耐腐蝕的特點(diǎn)。竹在南方省份如湖南分布面積也很廣,竹的多種加工研究,在湖南省已取得較大成績,這些農(nóng)林資源的工業(yè)利用可以推動(dòng)發(fā)展中國家貧困地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。與玻璃纖維(雖然價(jià)廉,但難降解)、碳纖維(價(jià)高,難降解)和Kevlar纖維(有機(jī)纖維,雖然能降解,但價(jià)高)不一樣,麻和竹是一種價(jià)廉的可降解有機(jī)纖維,具有價(jià)廉、可回收、可降解、可再生等特性,其工業(yè)利用利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。2天然纖維材料及其產(chǎn)品的研究和開發(fā)吸引了人們的注意2.1德國麻類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究與開發(fā)歐洲關(guān)于這方面的研究以德國、英國、丹麥和意大利為主。以德國BASF公司的研究工作為例,采用黃麻、劍麻和亞麻纖維作為增強(qiáng)材料,與聚丙烯等熱塑性塑料復(fù)合,制備出天然纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈復(fù)合材料(NMTS),其重量范圍可以從500～1800g/m2變化,厚度在2～13mm范圍內(nèi)變化,針刺強(qiáng)度介于20～40針/cm2,比GMTS(玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料)輕17%,而且不損失其翹曲性,加工方法也比較簡單,生產(chǎn)成本較低。德國麻類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要種類、主要用途、研究開發(fā)者和使用者見表5。亞洲以印度等國的研究工作為主,采用黃麻、劍麻和亞麻纖維和竹纖維作為增強(qiáng)材料,與熱固性和熱塑性聚合物復(fù)合,制成天然纖維聚合物復(fù)合材料制品,已開始工程應(yīng)用。2.2連續(xù)竹增強(qiáng)復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀國內(nèi)已經(jīng)開展麻類纖維復(fù)合材料及其產(chǎn)品研究開發(fā)工作的有如西北紡織學(xué)院(苧麻纖維增強(qiáng)不飽和聚脂樹脂)、中山大學(xué)(劍麻纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂)和國防科技大學(xué)(苧麻纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫和熱塑性塑料)等單位,主要還在研究階段,至今還沒有很多工程應(yīng)用。國內(nèi)連續(xù)竹增強(qiáng)復(fù)合材料目前以板材為主。連續(xù)竹增強(qiáng)復(fù)合材料主要以模壓板材為主,以竹片為增強(qiáng)相,多以脲醛樹脂或酚醛樹脂為粘結(jié)基體相,其產(chǎn)品的成型制備方法、主要用途和主要研制者列在表6中。其中,竹管道,夾芯竹地板和竹纖維仿形編織加RTM制備非平板結(jié)構(gòu)件技術(shù),結(jié)合了制備高性能聚合物復(fù)合材料及其構(gòu)件的技術(shù),有可能將竹復(fù)合材料制品的工業(yè)應(yīng)用水平提高一步。3應(yīng)用推廣研究(1)高性能天然纖維復(fù)合材料可促進(jìn)其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展,利于保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展麻纖維復(fù)合材料及其制品的應(yīng)用開發(fā)研究在國外已經(jīng)開展得比較深入,已有較廣泛的工程應(yīng)用,在國內(nèi)才剛剛起步。世界主要用作復(fù)合材料增強(qiáng)劑的非織造布產(chǎn)量1996年總產(chǎn)量超過220萬t,90年代年均增長接近10%,是世界紡織工業(yè)中發(fā)展速度最快的行業(yè)。世界人均非織造布產(chǎn)量美國已達(dá)3.5kg/人年,而在我國還只有0.19kg/人年。這一方面說明了差距,另一方面也說明發(fā)展空間還比較大。竹復(fù)合材料及其制品的應(yīng)用開發(fā)研究國內(nèi)已經(jīng)作了一些工作,但還有待于進(jìn)一步深入,特別是有待于進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和應(yīng)用水平。高性能天然纖維復(fù)合材料制品,可以廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、船舶、家居裝飾和工業(yè)品包裝等行業(yè)。開展高性能天然纖維復(fù)合材料及其制品的應(yīng)用開發(fā)研究,對充分利用我國豐富的天然纖維資源優(yōu)勢和已有的復(fù)合材料技術(shù)優(yōu)勢,改造傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)和工業(yè)產(chǎn)業(yè),加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路,提高新材料技術(shù)對我國國民經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率,具有重大意義。(2)高性能天然纖維復(fù)合材料可為天然纖維開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域,提高其應(yīng)用效率和附加值麻纖維復(fù)合材料及制品的應(yīng)用開發(fā)研究在國外已經(jīng)開展得比較深入,已有廣泛的工程應(yīng)用和較大的商業(yè)利潤。在國內(nèi)這一研究盡管才剛剛起步,但這已經(jīng)意味著傳統(tǒng)的麻紡工業(yè)革命即將開始。長期以來,苧麻紡織行業(yè)(包括亞麻、大麻等)一直是生產(chǎn)坯紗坯布出口,產(chǎn)品附加值小、技術(shù)含量低。特別是當(dāng)遇到世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)或貿(mào)易壁壘限制時(shí),對工廠的生產(chǎn)經(jīng)營都產(chǎn)生較大影響。最近幾年麻紡行業(yè)在開拓內(nèi)銷市場和開發(fā)新產(chǎn)品方面下了很大功夫,并且初見成效,但最終都沒有跳出服飾用紡織品的框框。從國外紡織業(yè)的發(fā)展情況看,服用紡織品、裝飾用紡織品和產(chǎn)業(yè)用紡織品已經(jīng)達(dá)到三足鼎立的局面,而我國服用紡織品仍占70%的地位。這一方面影響了紡織行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,另一方面也阻礙了紡織行業(yè)良性發(fā)展。據(jù)了解,到下世紀(jì),產(chǎn)業(yè)用紡織品的纖維耗用量將占纖維總量的40%～50%,在國際貿(mào)易中的比重將由目前的10%～15%提高到30%～40%。我國苧麻產(chǎn)量占世界的93%,如果能夠通過高新技術(shù),更好地開發(fā)和利用苧麻纖維,找到新的應(yīng)用領(lǐng)域,提高其應(yīng)用效率和附加值,對麻紡行業(yè)乃至整個(gè)紡織行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、結(jié)構(gòu)調(diào)整、效益增加是一個(gè)很大推動(dòng)。同時(shí)對充分利用我國豐富的天然纖維,如苧麻、大麻、劍麻、黃麻、亞麻纖維,和竹藤纖維資源,以工業(yè)技術(shù)革命帶動(dòng)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,提高紡織、材料產(chǎn)業(yè)和農(nóng)林業(yè)對我國國民經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率,具有重要意義。4高性能天然纖維材料產(chǎn)品具有良好的市場前景4.1人類親水性材料高性能天然纖維復(fù)合材料研究國外近兩年才開始,但應(yīng)用發(fā)展非常之快,這主要是取決這種材料的人類親和性,環(huán)保友好性和可持續(xù)發(fā)展性。一方面天然纖維復(fù)合材料也是纖維復(fù)合材料發(fā)展方向之一,另一方面,以非織造布用做復(fù)合材料增強(qiáng)相,也是紡織品應(yīng)用的趨勢之一。下面以此為例說明之:(1)非織造布用量世界紡織品中,用做復(fù)合材料增強(qiáng)材料的非織造布用量,自80年代以來逐年增長,具體情況如表7所示。非織造布是世界紡織工業(yè)中發(fā)展速度最快的行業(yè)。預(yù)計(jì)這一發(fā)展趨勢將延續(xù)到下世紀(jì)。(2)汽車及裝飾用材料建筑和土工材料:建筑用膜材:包括屋頂防水材料、道路施工材料、水利工程材料、環(huán)保工程材料等,如用特種專用纖維生產(chǎn)的高級(jí)油氈復(fù)合材料,其性能大大超過傳統(tǒng)的瀝青油氈,壽命長5～10倍。這類產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿艽?。國外已?jīng)得到廣泛應(yīng)用,如巴黎火車站月臺(tái)上的永久頂棚、沙特阿拉伯婦女運(yùn)動(dòng)場的永久遮陽棚、建筑物入口處的天棚等。汽車及裝飾用材料:(1)汽車用材:內(nèi)飾件、吸噪音板、充氣安全袋及輪胎簾子布等,能大幅度提高NVH指標(biāo)(是指表征轎車降噪、減振、提高乘座舒適度的綜合指標(biāo))。(2)裝飾用材:高檔膜材,如精干麻、紗線等增強(qiáng)熱塑性膜,用于高檔環(huán)境裝飾。這類產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿艽?。過濾材料:廣泛用于環(huán)保、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的氣體、液體過濾,可提高使用壽命,降低生產(chǎn)成本。還有超過濾、耐高溫等特殊功能濾料。包裝用材料與其他方面:(1)包裝用材:用低檔麻紡織品制成的低檔復(fù)合膜材用于一般工業(yè)品的包裝。(2)其他:電纜包覆材料、電池隔板、磁碟襯料以及一些特殊功能的填充料與元件,如防輻射、保溫密封、耐高溫、防紫外線等,已成為高科技新材料的組成部分。4.2國內(nèi)市場用復(fù)合材料增強(qiáng)劑非織造布生產(chǎn)與市場研究(1)國外天然纖維復(fù)合材料技術(shù)飛速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,促進(jìn)我國生產(chǎn)技術(shù)的提高和市場需求增加。世界主要國家紡織材料作為復(fù)合材料增強(qiáng)劑用的非織造布人均年產(chǎn)量如表8所示。從表8可以看出,我國非織造布的人年均產(chǎn)量,遠(yuǎn)低于美國、西歐和日本。這一方面說明了我國的差距,另一方面也說明在我國發(fā)展空間還比較大。(2)我國“十五”期間主要用作復(fù)合材料增強(qiáng)劑的非織造布市場需求預(yù)測,見表9。表9的預(yù)測數(shù)據(jù)說明,主要用作復(fù)合材料增強(qiáng)劑的非織造布應(yīng)用市場前景看好。綜上所述可知,隨著“十五”以及2015年現(xiàn)代化建設(shè)的到來,以及人民生活水平的不斷提高和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,紡織材料用作新型天然復(fù)合材料增強(qiáng)劑的這一趨勢將更加明顯,新型天然纖維復(fù)合材料及其制品必將獲得更大發(fā)展。4.3麻纖維復(fù)合材料的開發(fā)研究(1)直接經(jīng)濟(jì)效益初步分析。國外新型天然纖維復(fù)合材料之所以迅速發(fā)展,除開它本身具有獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,其根本的一條是這類產(chǎn)品可賺取高額利潤。譬如普通紡織品每平方米一般幾美元,而高性能天然纖維復(fù)合材料每平方米(不到1kg)售價(jià)高達(dá)50美元,產(chǎn)品附加值成倍提高。作為高性能天然纖維復(fù)合材料主要原材料的天然纖維和聚合物的國內(nèi)參考價(jià)格列在表10中?？梢娖r麻在麻類中具有價(jià)格上的優(yōu)勢。設(shè)想即便取高檔的原料配置(如苧麻細(xì)紗),制成的高檔天然纖維復(fù)合材料的價(jià)格,也會(huì)在50RMB/kg以下,如果是膜材,折成單位面積的價(jià)格,與國外的相比,仍然低得多。結(jié)合前述的市場需求分析,這種新型復(fù)合材料制品,具有潛在的、非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。開展高性能天然纖維復(fù)合材料及其制品的研究,能推動(dòng)農(nóng)林副業(yè)的發(fā)展。苧麻是我國特產(chǎn),一年三熟,是農(nóng)村附加值比較高的經(jīng)濟(jì)作物。開展苧麻纖維復(fù)合材料及其制品的應(yīng)用開發(fā)研究,盡快形成新的產(chǎn)業(yè),形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn),可以促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展,加快我國老、少、邊、窮地區(qū)的脫貧致富。能推動(dòng)紡織行業(yè)由傳統(tǒng)型向高科技型的轉(zhuǎn)變?？梢詾榧徔椘烦酥饕米魅祟愐轮酝?開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域,提高其附加值。利于環(huán)境保護(hù)和走可持續(xù)發(fā)展道路。材料科學(xué)發(fā)展的趨勢之一,是材料的環(huán)境友好性研究。人工材料的自然降解、材料的回收再利用,是材料的環(huán)境友好性研究的主要內(nèi)容。有機(jī)天然纖維