植物纖維的現狀及其發展前景
植物纖維（plantfibre）是廣泛分佈在種子植物中的一種厚壁組織。它的細胞細長，兩端尖銳，具有較厚的次生壁，壁上常有單紋孔，成熟時一般沒有活的原生質體。植物纖維在植物體中主要起機械支持作用。地球上現存的不可再生資源的儲量是非常有限的。隨着塑料工業的快速發展, 由塑料製品造成的“ 白色污染”對人類的生產和生活環境帶來了極大的危害。爲了解決原料短缺和環境問題, 人們逐漸把眼光轉移到地球上的可再生資源上。植物纖維材料是一種天然高分子材料, 生長和存在於大量綠色植物中,是一種取之不盡、用之不竭的資源。
植物纖維用於複合材料的潛在優勢越來越引起人們的注意, 它價格低廉, 密度小, 具有較高的彈性模量, 與無機纖維相近, 而它的生物降解性和可再生性是最突出的優點, 是其它任何增強材料無法比擬的; 另一方面,植物纖維與通用塑料共混製得的塑料是不完全生物降解的, 即在微生物作用下, 合成高分子僅能被分解爲散亂碎片, 這種材料使用後仍會對環境帶來負面影響, 因而植物纖維在全生物降解、複合材料中得到了重視並迅速發展。國外採用植物纖維改性的複合材料, 已經在汽車內部裝飾、室內外裝修飾材、建築結構部件等一些領域有廣泛的應用。但國內的研究發展相對較落後, 近年來對植物纖維複合材料的研究有了較大的進展, 特別是對生物降解材料的複合已成爲研究開發的熱點。本文綜述了植物纖維改性高分子材料的一些性能變化，影響植物纖維複合材料綜合性能的因素以及植物纖維的發展前景。
1 .不同種類的植物纖維複合材料
植物纖維與高分子材料製備的複合材料中, 採用的天然植物纖維主要有麻蕉、黃麻、xx、亞麻、劍麻等麻類材料及木材、竹材、棉纖維、紙漿纖維等。材料形態主要是纖維態和粉態。麻纖維由於強度好、可再生等優點, 用來增強聚烯烴塑料用於汽車內飾及部件, 在歐洲汽車工業已廣泛應用。隨着各行各業對環保的關注, 用天然麻類纖維與高分子材料製備複合材料的研究較多, 而使用木纖維或木粉與高分子材料製備複合材料的研究相對較少。就生物降解材料而言目前研究較多的是PLA。PLA 結晶溫度介於170~180℃之間, 其力學性能接近於聚丙烯和聚酯樹脂, 所以其複合材料具有較高強度, 某些性能接近於天然植物纖維/聚丙烯複合材料。椰纖維和竹纖維同樣具有非常好的力學性能, 具有較高的韌性, 也比較適合作增強材料。
2 . 植物纖維處理方法對植物纖維複合材料的性能影響
在植物纖維改性塑料的研究及應用方面, 主要是提取植物秸稈中的纖維素來改性塑料, 由於纖維素自身的結構使其具有親水性, 而通用塑料均爲非親水性材料, 故二者複合時界面的粘結性較差, 常要對其進行改性處理, 以更好的改善複合材料的性能。
2. 1 植物纖維的預處理
對植物纖維的預處理目的是除去纖維表面的雜質, 同時希望能使纖維表面性能得到改善, 用處理過的植物纖維與塑料進行復合, 能較好地提高塑料性能, 擴大其應用範圍。在研究中, 對植物纖維的預處理一般是先將其粉碎乾燥,再用一定濃度的鹼液處理一定時間, 通過預處理的'纖維表面雜質減少, 與樹脂基體的接觸面增加, 有利於複合材料界面相容性的提高, 同時經過預處理的纖維親水性有所降低, 得到的複合材料的拉伸性能也有所提高。
2. 2 植物纖維的改性處理
植物纖維在增強複合材料方面的不足,可以通過對植物纖維的改性來改善。植物纖維在增強C- H 聚合物時, 極性的纖維素纖維很難和C- H 聚合物具有相容性, 增強用纖維與基體聚合物兩種材料不相容時, 就很難形成增強複合材料, 有效的辦法是改善兩種材料(或其中之一)的表面能。處理方法主要有表面處理和改性處理。表面處理包括物理加工、表面刻蝕、纖維的包潤和降低纖維的親水性等。改性處理則從接枝共聚和界面偶合來考慮。接枝共聚是高聚物改性的重要手段, 對纖維進行接枝改性處理,可改善纖維與基體的浸潤性。而界面偶合的方法, 可以改變界面粘合性, 反應後纖維表面的羥基減少, 從而使纖維的吸水性減小, 有利於纖維與基體聚合物鍵合的穩定。
另一方面, 通過處理可使纖維和聚合物之間形成交聯網絡, 減少纖維的溶脹。有學者在研究麻纖維增強複合材料時, 用下面的方法對原麻進行處理, 也取得了很好的效果。原麻纖維經過高溫煮練、脫膠、漂白後, 爲進一步提高纖維的強度和進一步改善纖維和樹脂的粘接性能, 在室溫下對原麻進行鹼處理(鹼的濃度爲30% , 浸泡時間爲30m in), 通過鹼處理可脫去原麻果膠, 同時使麻纖維截面溶脹趨圓, 中間空洞偏小, 纖維壁加厚, 從而改善纖維的結構和性能。處理後的麻, 不僅自身性能大大提高, 而且還可改善其與複合材料的界面結合, 提高複合材料的硬度、抗壓強度和耐磨性等。
3 . 添加劑對植物纖維複合材料的性能影響
爲了提高複合材料的界面性能, 常在複合材料中添加一些粘合劑、偶聯劑、增韌劑等添加劑, 以更好的提高複合材料的力學性能。在實際應用中, 添加劑的加入除了要考慮添加劑本身的性能及作用外, 還要考慮其對複合材料界面性能的影響, 才能使得到的複合材料的性能達到最優。
4. 成型加工方法對植物纖維複合材料的性能影響
在研究中對植物纖維複合材料的加工成型方法一般是將所用材料混勻後熱壓或擠出成型關於成型加工方法對複合材料性能影響的研究較少, 其主要原因是一般的成型設備較龐大, 在單個研究機構內加工成型設備不齊全, 成型方法很難多樣化, 對該方面的研究有待進一步發展。
5.植物纖維複合材料
與植與玻璃纖維、碳纖維等傳統的增強材料相比, 植物纖維增強複合材料的力學性能偏低, 不適合作承受較大載荷的結構體, 只適合作爲承受一般載荷的日用生活品的結構材料, 但該材料可減少環境污染。總的來說, 國際上和國內對於植物纖維增強複合材料的研究相對於對高性能化學纖維增強複合材料的研究還是非常落後的, 對植物纖維增強複合材料的成熟研究和具體應用還很少。
植物纖維與普通高分子複合材料的製備相似, 植物纖維/可生物降解塑料生物質複合材料製備所採用的複合方式有擠出法、共混捏合法、熱壓法、浸漬法、及層壓法等。關於複合工藝的研究, 往往只是根據研究者的研究內容進行選擇, 而對於不同複合工藝的可行性及對複合材料性能的影響的比較相對較少。從複合材料的性能來看, 隨着纖維含量增加, 複合材料的拉伸強度、彎曲強度等通常增加,但是也有不同結果。結果的不一致, 除了與塑料材料的本身強度性能有關外, 和所採用的纖維複合方式及植物纖維材料和高分子塑料的相容性也有關係。對於植物纖維與可生物降解塑料的複合機制, 除了兩相界面結合機制外, 可生物降解高分子在複合材料的中結晶行爲、降解機制、影響因素是更受關注的方面。
6．植物纖維複合材料的降解性
由於通用塑料較難降解, 對環境污染嚴重, 白色污染已成爲亟待解決的環境問題。故將植物纖維添加到通用塑料中以提高其降解性能, 成爲人們研究和關注的熱點。對於可降解的高分子材料, 加入植物纖維更能提高其降解性, 並降低材料的成本, 擴大其應用範圍。對於通用塑料基植物纖維複合材料, 其降解一般是先發生在兩相界面處, 複合材料發生崩解, 成爲殘片, 減輕環境負擔。而對於植物纖維增強可降解生物材料, 其降解性也有較大提高, 降解過程中, 複合材料首先發生崩解, 成爲樹脂殘片, 降解速率有較大提高。
7.可生物降解生物質複合材料的應用前景及發展趨勢
可生物降解生物質複合材料可主要應用於汽車部件、裝飾裝修、包裝等領域。歐洲汽車內飾部件, 經歷了由天然植物纖維材料替代玻璃纖維增強複合材料的發展歷程。近幾年, 隨着汽車廢棄回收利用問題的壓力和人們環保意識的增強, 汽車內飾行業已經把天然纖維增強可生物降解材料的應用作爲目前汽車用內飾部件用塑料複合材料發展的必然方向。這一點可以從歐洲國家對於天然纖維增強可生物降解塑料複合材料開發的關注程度得以證實。
可生物降解生物質複合材料只有在特定的堆肥條件下才會降解, 而在通常的使用環境下具有相當的耐久性, 所以該材料可以用來替代目前廣泛應用的各種建築裝飾與裝修材料, 另外各種食品、儀器等的包裝材料往往是短期的一次性使用, 該種材料可在這些一次性或短期性應用部件方面不但滿足使用要求, 而且廢棄後不對環境造成污染。隨該複合材料研究的深入, 其應用領域也將會被進一步拓寬。總之, 其應用領域是相當廣泛的。由以上分析可見, 用天然植物纖維材料與完全可生物降解塑料複合製備新型的環境友好的生物質複合材料是最近幾年新興的研究領域, 雖然由於目前可生物降解塑料生產成本遠高於普通塑料, 目前生物質複合材料還沒有被大規模地應用。但是隨着可用石油資源的減少和人們環境保護意識的增強, 可生物降解塑料的開發與應用將更加引起關注與重視。根據美國能源部的 植物及糧食基可再生資源技術路線圖, 到2020年基本化學建築材料中植物基可再生資源材料利用要達到10% , 到2050 年達到50%。可見來源於植物等可再生資源的材料將是未來材料科學發展的主力軍。日本已將生物降解塑料作爲繼金屬材料、無機材料、高分子材料之後的 第四類新材料。由此可見, 生物質複合材料將是未來複合材料發展的必然趨勢。
參考文獻
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