農(nóng)作物秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

苗鵬飛　盧國鋒

摘 要：隨著人們對環(huán)境問題的重視，利用農(nóng)作物秸稈纖維作為增強(qiáng)體來制備復(fù)合材料越來越引起人們的重視。本文敘述了秸稈纖維、纖維復(fù)合材料概念和分類，對包括木塑復(fù)合材料、秸稈纖維、樹脂基復(fù)合材料和秸稈纖維、水泥基復(fù)合材料在內(nèi)的幾種典型的秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀做了詳述，并對秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物秸稈；秸稈纖維；復(fù)合材料

中圖分類號： TQ323.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-60-2

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，每年包括玉米、小麥、稻草、棉花秸稈等在內(nèi)的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量可達(dá)數(shù)億噸[1]。但這些豐富的秸稈資源卻未得到很好的利用，目前的利用率只有約10%左右，而這其中的大部分又都是通過制造有機(jī)肥、直接還田、作動物飼料和作燃料等這些不加任何處理的方式低效率利用，經(jīng)技術(shù)處理后利用的僅占2.6%[2]。其余60%多的秸稈均被作為廢棄物直接焚燒掉，這不僅造成了自然資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且造成嚴(yán)重的空氣污染，惡化的人類生存環(huán)境，因此，秸稈的處理急需一種更為有效的利用方法和途徑。利用農(nóng)作物秸稈來制備一些新型復(fù)合材料既可以有效利用農(nóng)作物秸稈資源，又可減少環(huán)境污染，也是附加值非常高的一種秸稈處理方法，因此利用秸稈資源制備秸稈纖維復(fù)合材料已經(jīng)成為秸稈處理研究的熱點(diǎn)之一。為此，本文就秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)行了綜述。

1 秸稈纖維

秸稈作為農(nóng)作物的副產(chǎn)品，具體可分類為經(jīng)濟(jì)作物秸稈（油菜稈、麻稈、蘆葦稈、棉花稈、豆類秸稈）和糧食作物秸稈（麥秸稈、谷類作物秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、高粱秸稈）[3]。秸稈纖維是將秸稈材料通過化學(xué)方法和物理機(jī)械處理的方法，得到穩(wěn)定和細(xì)化后的纖維素纖維，秸稈纖維自身就是一種復(fù)合材料。一般來說，秸稈纖維的表面處理要采用兩種方法：物理方法與化學(xué)方法。物理方法包括表面原纖化處理以及放電處理。化學(xué)方法有堿化處理、酯化處理、接枝改性、浸漬處理、涂層處理等。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

凡是由兩種或兩種以上性質(zhì)差異的原材料， 通過某種工藝方法形成的多相材料（各相間存在有明顯的界面）都可稱為復(fù)合材料。復(fù)合材料兩個顯著的特點(diǎn)分別是：材料的可設(shè)計性，就是按不同的性能需求進(jìn)行材料的設(shè)計與制造。另外一個就是材料與結(jié)構(gòu)件的一致性 。纖維增強(qiáng)復(fù)合材具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、抗疲勞等特點(diǎn)。

復(fù)合材料的加工方法常用的有三種方法：①傳統(tǒng)的加工方法或改進(jìn)后的傳統(tǒng)加工方法；②水力噴射加工；③激光加工。

3 典型秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

3.1 秸稈/橡膠復(fù)合材料

秸稈/橡膠復(fù)合材料是將秸稈進(jìn)行粉碎處理后，將其粉末填充于天然橡膠或丁腈橡膠基體里而制備的復(fù)合材料。相關(guān)的研究表明，將天然橡膠加入秸稈后門尼粘度會增大、流動性會下降，而且加工流動性也會變差，秸稈/天然橡膠復(fù)合材料的門尼粘度與秸稈用量成正比。而在機(jī)械性能方面，秸稈對天然橡膠（NR）一般只是起填充作用，對材料的機(jī)械性能影響不大；而對丁腈橡膠（NBR）而言，秸稈纖維的加入材料的強(qiáng)度和硬度提高，即具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用。用硅烷偶聯(lián)劑對秸稈纖維進(jìn)行處理后，或?qū)斩捓w維進(jìn)行堿化處理后都可以明顯提高秸稈纖維/橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能。在天然橡膠中加入秸稈纖維后，所得復(fù)合材料的耐熱老化性能相較于天然橡膠本身在一定程度上有所降低。

3.2 木塑復(fù)合材料

木塑復(fù)合材料（wood plastics composites，WPS）是一種綠色環(huán)保型復(fù)合材料。主要是用熱塑性聚合物（如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等）為基體，秸稈纖維或木粉為填料即增強(qiáng)體的復(fù)合材料。

木塑材料的研究最早開始于美國，至今已有幾十年的歷史，1997年加拿大Onyx公司首批生產(chǎn)線生產(chǎn)，現(xiàn)在國外目前大批生產(chǎn)主要集中在美國、加拿大、日本、俄羅斯、烏克蘭、保加利亞。國外的研究主要集中在對木粉復(fù)合材料的預(yù)處理、增韌和增強(qiáng)復(fù)合材料以及吸水性復(fù)合材料。在我國，木塑復(fù)合材料始于福建林學(xué)院于20世紀(jì)80年代中期開始的研究，相比較國外起步較晚。1999年形成較為完整的工藝生產(chǎn)線，安徽蒙城縣鋁塑型材有限公司與蒙城縣鋁塑研究所合作研究完成了國內(nèi)第一家大規(guī)模的木塑復(fù)合材料生產(chǎn)線。目前，國內(nèi)一些生產(chǎn)技術(shù)比較先進(jìn)的木塑公司產(chǎn)品已經(jīng)趕上甚至超過國外，前景十分光明。 木塑材料的應(yīng)用主要在這幾個方面：建筑結(jié)構(gòu)的部件、汽車內(nèi)飾部件、室內(nèi)外裝修材料等。

3.3 秸稈纖維/PBS復(fù)合材料

秸稈纖維/PBS復(fù)合材料是以聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為基體，麥秸稈纖維、稻草秸稈纖維以及竹纖維為增強(qiáng)體合成的復(fù)合材料。主要工藝方法：熔融共混法、熱壓成型法。

Yang-Zhao運(yùn)用熱壓成型法制備了稻草秸稈纖維/PBS復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)在與不僅提升了復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，復(fù)合材料的吸水性也大大降低了。張敏[8]對玉米秸稈采用水煮處理后與PBS共混制備出了玉米秸稈纖維/PBS復(fù)合材料，其力學(xué)性能大幅度的提高。

秸稈纖維/PBS復(fù)合材料目前的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，包括：餐飲（如飯盒、一次性果盤等）、醫(yī)藥（藥瓶、藥品包裝袋、生物醫(yī)用高分子材料等）、農(nóng)業(yè)（農(nóng)用地膜、水果蔬菜套袋等）生活（化妝品瓶等）。

3.4 秸稈纖維/水泥基復(fù)合材料

秸稈纖維水泥基復(fù)合材料就是將農(nóng)作物秸稈（如小麥秸稈，玉米秸稈、高粱秸稈等）摻入到水泥中共混得到的復(fù)合材料，其具有輕質(zhì)、隔熱保溫、吸聲、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

秸稈/水泥基復(fù)合材料具有很長的使用歷史。張琳等 通過對小麥秸稈纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行性能測試發(fā)現(xiàn)：對小麥秸稈做堿液處理后可降低小麥秸稈纖維中溶出物水泥化影響，增強(qiáng)水泥硬化程度，提高綜合力學(xué)性能。

秸稈/水泥基復(fù)合材料主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。

3.5 秸稈纖維增強(qiáng)脫硫石膏墻體材料

秸稈纖維增強(qiáng)脫硫石膏墻體材料是既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的新型材料。以稻草秸稈玉米秸稈作等作為增強(qiáng)體得到的。吳其勝對其制備與性能進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)：在抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及保溫性能方面較普通脫硫石膏墻體材料都有了很大的提升與改善。

4 秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用

秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及其制品在以下一些方面的應(yīng)用：

①建筑和土工材料：由于秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比重小，隔熱、隔音性能好，在廣泛用作建筑工程材料。秸稈纖維水泥基由于具有較高的抗裂性能，因此可用作建筑承重墻的材料；秸稈纖維石膏復(fù)合材料可作為建筑墻體的墻面材料和頂部裝修材料；而木塑復(fù)合材料則在建筑業(yè)中應(yīng)用更為廣泛，可用于室內(nèi)外的多種建筑材料，如：室內(nèi)地腳線、吊頂板材、門窗的框套等。另外，秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還可用于圍護(hù)欄、門窗型材。還有正在研究并初步應(yīng)用的，如：百葉窗、墻板等。孫成棟采用水泥作為膠結(jié)料，木質(zhì)纖維用農(nóng)作物秸稈替換，然后添加特種的復(fù)合添加劑，生產(chǎn)出一種秸稈纖維填充水泥復(fù)合板，已取得了不錯的成效。

②其他方面：隔音板、絕緣板、抗腐蝕板材。將秸稈纖維與廢舊輪胎顆粒復(fù)合制造出了建筑絕緣復(fù)板，經(jīng)過測試性能，發(fā)現(xiàn)其具有良好的隔音性、絕緣性、強(qiáng)耐腐蝕等性能，能夠用來替換建筑行業(yè)所用的的絕緣材料；電池隔板、某些有特殊功能的填充原料與元件，例如保溫、密封、耐高溫、防紫外線等。

5 結(jié)語

增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)成為復(fù)合材料領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。但仍舊存在有一些問題需要繼續(xù)研究克服的。首先，作為增強(qiáng)體的秸稈纖維的制備及其表面處理技術(shù)已無法滿足需求，要研制出綜合性能穩(wěn)定可靠的秸稈纖維增強(qiáng)體稈纖維復(fù)合材料那就必須更新工藝，更好的處理秸稈纖維。再者，成型工藝與生產(chǎn)設(shè)備也是需要不斷更新的。決定復(fù)合材料的性能、成本的關(guān)鍵技術(shù)就是成型工藝與生產(chǎn)設(shè)備。最后，就是怎樣能夠更好地制備出可完全生物降解秸稈纖維復(fù)合材料。只有這樣才能夠使其成為真正意義上的“綠色材料”。秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有的可回收和可降解等優(yōu)良性能，將會滿足未來社會的各個領(lǐng)域，尤其是在環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿ΑＰ鹿に嚺c新品種的出現(xiàn)姜維秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展帶來更大的發(fā)展前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李國忠，高子棟.改性秸稈纖維增強(qiáng)石膏基復(fù)合材料性能[J].建筑材料學(xué)報，2011，14（3）：413-417.

[2] 劉洪鳳，俞鎮(zhèn)慌.秸稈纖維性能[J].東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，28（2）：123-128.

[3] 曹穩(wěn)根，高貴珍，方雪梅，等.我國農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀[J].宿州學(xué)院學(xué)報；2007（6）：110-112.