植物纤维的现状及其发展前景
植物纤维的现状及其发展前景
植物纤维（plantfibre）是广泛分布在种子植物中的一种厚壁组织。它的细胞细长，两端尖锐，具有较厚的次生壁，壁上常有单纹孔，成熟时一般没有活的原生质体。植物纤维在植物体中主要起机械支持作用。地球上现存的不可再生资源的储量是非常有限的。随着塑料工业的快速发展, 由塑料制品造成的“ 白色污染”对人类的生产和生活环境带来了极大的危害。为了解决原料短缺和环境问题, 人们逐渐把眼光转移到地球上的可再生资源上。植物纤维材料是一种天然高分子材料, 生长和存在于大量绿色植物中,是一种取之不尽、用之不竭的资源。
植物纤维用于复合材料的潜在优势越来越引起人们的注意, 它价格低廉, 密度小, 具有较高的弹性模量, 与无机纤维相近, 而它的生物降解性和可再生性是最突出的优点, 是其它任何增强材料无法比拟的; 另一方面,植物纤维与通用塑料共混制得的塑料是不完全生物降解的, 即在微生物作用下, 合成高分子仅能被分解为散乱碎片, 这种材料使用后仍会对环境带来负面影响, 因而植物纤维在全生物降解、复合材料中得到了重视并迅速发展。国外采用植物纤维改性的复合材料, 已经在汽车内部装饰、室内外装修饰材、建筑结构部件等一些领域有广泛的应用。但国内的研究发展相对较落后, 近年来对植物纤维复合材料的研究有了较大的进展, 特别是对生物降解材料的复合已成为研究开发的热点。本文综述了植物纤维改性高分子材料的一些性能变化，影响植物纤维复合材料综合性能的因素以及植物纤维的发展前景。
1 .不同种类的植物纤维复合材料
植物纤维与高分子材料制备的复合材料中, 采用的天然植物纤维主要有麻蕉、黄麻、xx、亚麻、剑麻等麻类材料及木材、竹材、棉纤维、纸浆纤维等。材料形态主要是纤维态和粉态。麻纤维由于强度好、可再生等优点, 用来增强聚烯烃塑料用于汽车内饰及部件, 在欧洲汽车工业已广泛应用。随着各行各业对环保的关注, 用天然麻类纤维与高分子材料制备复合材料的研究较多, 而使用木纤维或木粉与高分子材料制备复合材料的研究相对较少。就生物降解材料而言目前研究较多的是PLA。PLA 结晶温度介于170~180℃之间, 其力学性能接近于聚丙烯和聚酯树脂, 所以其复合材料具有较高强度, 某些性能接近于天然植物纤维/聚丙烯复合材料。椰纤维和竹纤维同样具有非常好的力学性能, 具有较高的韧性, 也比较适合作增强材料。
2 . 植物纤维处理方法对植物纤维复合材料的性能影响
在植物纤维改性塑料的研究及应用方面, 主要是提取植物秸秆中的纤维素来改性塑料, 由于纤维素自身的结构使其具有亲水性, 而通用塑料均为非亲水性材料, 故二者复合时界面的粘结性较差, 常要对其进行改性处理, 以更好的改善复合材料的性能。
2. 1 植物纤维的预处理
对植物纤维的预处理目的是除去纤维表面的杂质, 同时希望能使纤维表面性能得到改善, 用处理过的植物纤维与塑料进行复合, 能较好地提高塑料性能, 扩大其应用范围。在研究中, 对植物纤维的预处理一般是先将其粉碎干燥,再用一定浓度的碱液处理一定时间, 通过预处理的纤维表面杂质减少, 与树脂基体的接触面增加, 有利于复合材料界面相容性的提高, 同时经过预处理的纤维亲水性有所降低, 得到的复合材料的拉伸性能也有所提高。
2. 2 植物纤维的改性处理
植物纤维在增强复合材料方面的不足,可以通过对植物纤维的改性来改善。植物纤维在增强C- H 聚合物时, 极性的纤维素纤维很难和C- H 聚合物具有相容性, 增强用纤维与基体聚合物两种材料不相容时, 就很难形成增强复合材料, 有效的办法是改善两种材料(或其中之一)的表面能。处理方法主要有表面处理和改性处理。表面处理包括物理加工、表面刻蚀、纤维的包润和降低纤维的亲水性等。改性处理则从接枝共聚和界面偶合来考虑。接枝共聚是高聚物改性的重要手段, 对纤维进行接枝改性处理,可改善纤维与基体的浸润性。而界面偶合的方法, 可以改变界面粘合性, 反应后纤维表面的羟基减少, 从而使纤维的吸水性减小, 有利于纤维与基体聚合物键合的稳定。
另一方面, 通过处理可使纤维和聚合物之间形成交联网络, 减少纤维的溶胀。有学者在研究麻纤维增强复合材料时, 用下面的方法对原麻进行处理, 也取得了很好的效果。原麻纤维经过高温煮练、脱胶、漂白后, 为进一步提高纤维的强度和进一步改善纤维和树脂的粘接性能, 在室温下对原麻进行碱处理(碱的浓度为30% , 浸泡时间为30m in), 通过碱处理可脱去原麻果胶, 同时使麻纤维截面溶胀趋圆, 中间空洞偏小, 纤维壁加厚, 从而改善纤维的结构和性能。处理后的麻, 不仅自身性能大大提高, 而且还可改善其与复合材料的界面结合, 提高复合材料的硬度、抗压强度和耐磨性等。
3 . 添加剂对植物纤维复合材料的性能影响
为了提高复合材料的界面性能, 常在复合材料中添加一些粘合剂、偶联剂、增韧剂等添加剂, 以更好的提高复合材料的力学性能。在实际应用中, 添加剂的加入除了要考虑添加剂本身的性能及作用外, 还要考虑其对复合材料界面性能的影响, 才能使得到的复合材料的性能达到最优。
4. 成型加工方法对植物纤维复合材料的性能影响
在研究中对植物纤维复合材料的加工成型方法一般是将所用材料混匀后热压或挤出成型关于成型加工方法对复合材料性能影响的研究较少, 其主要原因是一般的成型设备较庞大, 在单个研究机构内加工成型设备不齐全, 成型方法很难多样化, 对该方面的研究有待进一步发展。
5.植物纤维复合材料
与植与玻璃纤维、碳纤维等传统的增强材料相比, 植物纤维增强复合材料的力学性能偏低, 不适合作承受较大载荷的结构体, 只适合作为承受一般载荷的日用生活品的结构材料, 但该材料可减少环境污染。总的来说, 国际上和国内对于植物纤维增强复合材料的研究相对于对高性能化学纤维增强复合材料的研究还是非常落后的, 对植物纤维增强复合材料的成熟研究和具体应用还很少。
植物纤维与普通高分子复合材料的制备相似, 植物纤维/可生物降解塑料生物质复合材料制备所采用的复合方式有挤出法、共混捏合法、热压法、浸渍法、及层压法等。关于复合工艺的研究, 往往只是根据研究者的研究内容进行选择, 而对于不同复合工艺的可行性及对复合材料性能的影响的比较相对较少。从复合材料的性能来看, 随着纤维含量增加, 复合材料的拉伸强度、弯曲强度等通常增加,但是也有不同结果。结果的不一致, 除了与塑料材料的本身强度性能有关外, 和所采用的纤维复合方式及植物纤维材料和高分子塑料的相容性也有关系。对于植物纤维与可生物降解塑料的复合机制, 除了两相界面结合机制外, 可生物降解高分子在复合材料的中结晶行为、降解机制、影响因素是更受关注的方面。
6．植物纤维复合材料的降解性
由于通用塑料较难降解, 对环境污染严重, 白色污染已成为亟待解决的'环境问题。故将植物纤维添加到通用塑料中以提高其降解性能, 成为人们研究和关注的热点。对于可降解的高分子材料, 加入植物纤维更能提高其降解性, 并降低材料的成本, 扩大其应用范围。对于通用塑料基植物纤维复合材料, 其降解一般是先发生在两相界面处, 复合材料发生崩解, 成为残片, 减轻环境负担。而对于植物纤维增强可降解生物材料, 其降解性也有较大提高, 降解过程中, 复合材料首先发生崩解, 成为树脂残片, 降解速率有较大提高。
7.可生物降解生物质复合材料的应用前景及发展趋势
可生物降解生物质复合材料可主要应用于汽车部件、装饰装修、包装等领域。欧洲汽车内饰部件, 经历了由天然植物纤维材料替代玻璃纤维增强复合材料的发展历程。近几年, 随着汽车废弃回收利用问题的压力和人们环保意识的增强, 汽车内饰行业已经把天然纤维增强可生物降解材料的应用作为目前汽车用内饰部件用塑料复合材料发展的必然方向。这一点可以从欧洲国家对于天然纤维增强可生物降解塑料复合材料开发的关注程度得以证实。
可生物降解生物质复合材料只有在特定的堆肥条件下才会降解, 而在通常的使用环境下具有相当的耐久性, 所以该材料可以用来替代目前广泛应用的各种建筑装饰与装修材料, 另外各种食品、仪器等的包装材料往往是短期的一次性使用, 该种材料可在这些一次性或短期性应用部件方面不但满足使用要求, 而且废弃后不对环境造成污染。随该复合材料研究的深入, 其应用领域也将会被进一步拓宽。总之, 其应用领域是相当广泛的。由以上分析可见, 用天然植物纤维材料与完全可生物降解塑料复合制备新型的环境友好的生物质复合材料是最近几年新兴的研究领域, 虽然由于目前可生物降解塑料生产成本远高于普通塑料, 目前生物质复合材料还没有被大规模地应用。但是随着可用石油资源的减少和人们环境保护意识的增强, 可生物降解塑料的开发与应用将更加引起关注与重视。根据美国能源部的 植物及粮食基可再生资源技术路线图, 到2020年基本化学建筑材料中植物基可再生资源材料利用要达到10% , 到2050 年达到50%。可见来源于植物等可再生资源的材料将是未来材料科学发展的主力军。日本已将生物降解塑料作为继金属材料、无机材料、高分子材料之后的 第四类新材料。由此可见, 生物质复合材料将是未来复合材料发展的必然趋势。
参考文献
1.我国金属包装行业的现状与发展前景-张虹.
2.天然植物纤维_可生物降解塑料生物质复合材料研究现状与发展趋势-郭文静.
3.天然植物纤维增强复合材料的研究应用-倪敬达.
4. 植物纤维复合材料综合性能的影响因素研究进展-丁芳芳.
5. 植物纤维及其增强复合材料的研究进展-张伏.
6. 植物纤维与生物降解塑料界面相容性研究进展-李新功.
7. 植物纤维在全生物降解复合材料中的应用研究进展-张春红.
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