植物纖維的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景
植物纖維的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景
植物纖維（plantfibre）是廣泛分布在種子植物中的一種厚壁組織。它的細(xì)胞細(xì)長，兩端尖銳，具有較厚的次生壁，壁上常有單紋孔，成熟時(shí)一般沒有活的原生質(zhì)體。植物纖維在植物體中主要起機(jī)械支持作用。地球上現(xiàn)存的不可再生資源的儲(chǔ)量是非常有限的。隨著塑料工業(yè)的快速發(fā)展, 由塑料制品造成的“ 白色污染”對人類的生產(chǎn)和生活環(huán)境帶來了極大的危害。為了解決原料短缺和環(huán)境問題, 人們逐漸把眼光轉(zhuǎn)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, 生長和存在于大量綠色植物中,是一種取之不盡、用之不竭的資源。
植物纖維用于復(fù)合材料的潛在優(yōu)勢越來越引起人們的注意, 它價(jià)格低廉, 密度小, 具有較高的彈性模量, 與無機(jī)纖維相近, 而它的生物降解性和可再生性是最突出的優(yōu)點(diǎn), 是其它任何增強(qiáng)材料無法比擬的; 另一方面,植物纖維與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, 合成高分子僅能被分解為散亂碎片, 這種材料使用后仍會(huì)對環(huán)境帶來負(fù)面影響, 因而植物纖維在全生物降解、復(fù)合材料中得到了重視并迅速發(fā)展。國外采用植物纖維改性的復(fù)合材料, 已經(jīng)在汽車內(nèi)部裝飾、室內(nèi)外裝修飾材、建筑結(jié)構(gòu)部件等一些領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但國內(nèi)的研究發(fā)展相對較落后, 近年來對植物纖維復(fù)合材料的研究有了較大的進(jìn)展, 特別是對生物降解材料的復(fù)合已成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。本文綜述了植物纖維改性高分子材料的一些性能變化，影響植物纖維復(fù)合材料綜合性能的因素以及植物纖維的發(fā)展前景。
1 .不同種類的植物纖維復(fù)合材料
植物纖維與高分子材料制備的復(fù)合材料中, 采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(tài)主要是纖維態(tài)和粉態(tài)。麻纖維由于強(qiáng)度好、可再生等優(yōu)點(diǎn), 用來增強(qiáng)聚烯烴塑料用于汽車內(nèi)飾及部件, 在歐洲汽車工業(yè)已廣泛應(yīng)用。隨著各行各業(yè)對環(huán)保的關(guān)注, 用天然麻類纖維與高分子材料制備復(fù)合材料的研究較多, 而使用木纖維或木粉與高分子材料制備復(fù)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(jié)晶溫度介于170~180℃之間, 其力學(xué)性能接近于聚丙烯和聚酯樹脂, 所以其復(fù)合材料具有較高強(qiáng)度, 某些性能接近于天然植物纖維/聚丙烯復(fù)合材料。椰纖維和竹纖維同樣具有非常好的力學(xué)性能, 具有較高的韌性, 也比較適合作增強(qiáng)材料。
2 . 植物纖維處理方法對植物纖維復(fù)合材料的性能影響
在植物纖維改性塑料的研究及應(yīng)用方面, 主要是提取植物秸稈中的纖維素來改性塑料, 由于纖維素自身的結(jié)構(gòu)使其具有親水性, 而通用塑料均為非親水性材料, 故二者復(fù)合時(shí)界面的粘結(jié)性較差, 常要對其進(jìn)行改性處理, 以更好的改善復(fù)合材料的性能。
2. 1 植物纖維的預(yù)處理
對植物纖維的預(yù)處理目的是除去纖維表面的雜質(zhì), 同時(shí)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(jìn)行復(fù)合, 能較好地提高塑料性能, 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在研究中, 對植物纖維的預(yù)處理一般是先將其粉碎干燥,再用一定濃度的堿液處理一定時(shí)間, 通過預(yù)處理的纖維表面雜質(zhì)減少, 與樹脂基體的接觸面增加, 有利于復(fù)合材料界面相容性的提高, 同時(shí)經(jīng)過預(yù)處理的纖維親水性有所降低, 得到的復(fù)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)C- H 聚合物時(shí), 極性的纖維素纖維很難和C- H 聚合物具有相容性, 增強(qiáng)用纖維與基體聚合物兩種材料不相容時(shí), 就很難形成增強(qiáng)復(fù)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(jìn)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(yīng)后纖維表面的羥基減少, 從而使纖維的吸水性減小, 有利于纖維與基體聚合物鍵合的穩(wěn)定。
另一方面, 通過處理可使纖維和聚合物之間形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò), 減少纖維的溶脹。有學(xué)者在研究麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí), 用下面的方法對原麻進(jìn)行處理, 也取得了很好的效果。原麻纖維經(jīng)過高溫煮練、脫膠、漂白后, 為進(jìn)一步提高纖維的強(qiáng)度和進(jìn)一步改善纖維和樹脂的粘接性能, 在室溫下對原麻進(jìn)行堿處理(堿的濃度為30% , 浸泡時(shí)間為30m in), 通過堿處理可脫去原麻果膠, 同時(shí)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(jié)構(gòu)和性能。處理后的麻, 不僅自身性能大大提高, 而且還可改善其與復(fù)合材料的界面結(jié)合, 提高復(fù)合材料的硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性等。
3 . 添加劑對植物纖維復(fù)合材料的性能影響
為了提高復(fù)合材料的界面性能, 常在復(fù)合材料中添加一些粘合劑、偶聯(lián)劑、增韌劑等添加劑, 以更好的提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)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, 還要考慮其對復(fù)合材料界面性能的影響, 才能使得到的復(fù)合材料的性能達(dá)到最優(yōu)。
4. 成型加工方法對植物纖維復(fù)合材料的性能影響
在研究中對植物纖維復(fù)合材料的加工成型方法一般是將所用材料混勻后熱壓或擠出成型關(guān)于成型加工方法對復(fù)合材料性能影響的研究較少, 其主要原因是一般的成型設(shè)備較龐大, 在單個(gè)研究機(jī)構(gòu)內(nèi)加工成型設(shè)備不齊全, 成型方法很難多樣化, 對該方面的研究有待進(jìn)一步發(fā)展。
5.植物纖維復(fù)合材料
與植與玻璃纖維、碳纖維等傳統(tǒng)的增強(qiáng)材料相比, 植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能偏低, 不適合作承受較大載荷的結(jié)構(gòu)體, 只適合作為承受一般載荷的日用生活品的結(jié)構(gòu)材料, 但該材料可減少環(huán)境污染�？偟膩碚f, 國際上和國內(nèi)對于植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究相對于對高性能化學(xué)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究還是非常落后的, 對植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成熟研究和具體應(yīng)用還很少。
植物纖維與普通高分子復(fù)合材料的制備相似, 植物纖維/可生物降解塑料生物質(zhì)復(fù)合材料制備所采用的復(fù)合方式有擠出法、共混捏合法、熱壓法、浸漬法、及層壓法等。關(guān)于復(fù)合工藝的研究, 往往只是根據(jù)研究者的研究內(nèi)容進(jìn)行選擇, 而對于不同復(fù)合工藝的可行性及對復(fù)合材料性能的影響的比較相對較少。從復(fù)合材料的性能來看, 隨著纖維含量增加, 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等通常增加,但是也有不同結(jié)果。結(jié)果的不一致, 除了與塑料材料的本身強(qiáng)度性能有關(guān)外, 和所采用的纖維復(fù)合方式及植物纖維材料和高分子塑料的相容性也有關(guān)系。對于植物纖維與可生物降解塑料的復(fù)合機(jī)制, 除了兩相界面結(jié)合機(jī)制外, 可生物降解高分子在復(fù)合材料的中結(jié)晶行為、降解機(jī)制、影響因素是更受關(guān)注的方面。
6．植物纖維復(fù)合材料的降解性
由于通用塑料較難降解, 對環(huán)境污染嚴(yán)重, 白色污染已成為亟待解決的'環(huán)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, 成為人們研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。對于可降解的高分子材料, 加入植物纖維更能提高其降解性, 并降低材料的成本, 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。對于通用塑料基植物纖維復(fù)合材料, 其降解一般是先發(fā)生在兩相界面處, 復(fù)合材料發(fā)生崩解, 成為殘片, 減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。而對于植物纖維增強(qiáng)可降解生物材料, 其降解性也有較大提高, 降解過程中, 復(fù)合材料首先發(fā)生崩解, 成為樹脂殘片, 降解速率有較大提高。
7.可生物降解生物質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢
可生物降解生物質(zhì)復(fù)合材料可主要應(yīng)用于汽車部件、裝飾裝修、包裝等領(lǐng)域。歐洲汽車內(nèi)飾部件, 經(jīng)歷了由天然植物纖維材料替代玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展歷程。近幾年, 隨著汽車廢棄回收利用問題的壓力和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng), 汽車內(nèi)飾行業(yè)已經(jīng)把天然纖維增強(qiáng)可生物降解材料的應(yīng)用作為目前汽車用內(nèi)飾部件用塑料復(fù)合材料發(fā)展的必然方向。這一點(diǎn)可以從歐洲國家對于天然纖維增強(qiáng)可生物降解塑料復(fù)合材料開發(fā)的關(guān)注程度得以證實(shí)。
可生物降解生物質(zhì)復(fù)合材料只有在特定的堆肥條件下才會(huì)降解, 而在通常的使用環(huán)境下具有相當(dāng)?shù)哪途眯? 所以該材料可以用來替代目前廣泛應(yīng)用的各種建筑裝飾與裝修材料, 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(yīng)用部件方面不但滿足使用要求, 而且廢棄后不對環(huán)境造成污染。隨該復(fù)合材料研究的深入, 其應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)被進(jìn)一步拓寬�？傊�, 其應(yīng)用領(lǐng)域是相當(dāng)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復(fù)合制備新型的環(huán)境友好的生物質(zhì)復(fù)合材料是最近幾年新興的研究領(lǐng)域, 雖然由于目前可生物降解塑料生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于普通塑料, 目前生物質(zhì)復(fù)合材料還沒有被大規(guī)模地應(yīng)用。但是隨著可用石油資源的減少和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng), 可生物降解塑料的開發(fā)與應(yīng)用將更加引起關(guān)注與重視。根據(jù)美國能源部的 植物及糧食基可再生資源技術(shù)路線圖, 到2020年基本化學(xué)建筑材料中植物基可再生資源材料利用要達(dá)到10% , 到2050 年達(dá)到50%�？梢妬碓从谥参锏瓤稍偕Y源的材料將是未來材料科學(xué)發(fā)展的主力軍。日本已將生物降解塑料作為繼金屬材料、無機(jī)材料、高分子材料之后的 第四類新材料。由此可見, 生物質(zhì)復(fù)合材料將是未來復(fù)合材料發(fā)展的必然趨勢。
參考文獻(xiàn)
1.我國金屬包裝行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景-張虹.
2.天然植物纖維_可生物降解塑料生物質(zhì)復(fù)合材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢-郭文靜.
3.天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究應(yīng)用-倪敬達(dá).
4. 植物纖維復(fù)合材料綜合性能的影響因素研究進(jìn)展-丁芳芳.
5. 植物纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展-張伏.
6. 植物纖維與生物降解塑料界面相容性研究進(jìn)展-李新功.
7. 植物纖維在全生物降解復(fù)合材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展-張春紅.
【植物纖維的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景】相關(guān)文章：
汽車的發(fā)展前景現(xiàn)狀07-19
探究功能高分子材料的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景論文07-09
Java語言的現(xiàn)狀和發(fā)展前景分析10-09
關(guān)于Java語言的現(xiàn)狀和發(fā)展前景09-30
Java語言的現(xiàn)狀和發(fā)展前景發(fā)現(xiàn)06-20