天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備及性能研究

劉英田

摘要：天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種相對環(huán)境破壞少的復(fù)合材料。天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在自然環(huán)境中能夠做到生物自然降解，也因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜，制造方便，且后期回收相對容易，被大量用于各類行業(yè)生產(chǎn)之中。但是天然纖維自身也存在著一定的局限性，因此本文通過對天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備和性能研究，探索未來天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：天然纖維;復(fù)合材料;纖維制備

前言：這幾年來，我國日益發(fā)展的能源和環(huán)境問題日益突出，逐漸地引起了人們的關(guān)注，人們便開始加大了對于天然纖維和可塑性增強(qiáng)材料的重視。通過研究選擇麻類纖維作為其增強(qiáng)性材料，研究探索了麻類纖維的增強(qiáng)性材料，分析了制備技術(shù)和工藝對于其他復(fù)合材料制備的影響以及其他復(fù)合材料性能的優(yōu)化與改善。

1.天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的相關(guān)概述

1.1基本認(rèn)識(shí)

植物資源中還有大量的天然纖維，這種纖維能夠不斷再生利用，但目前我國對于天然纖維資源的應(yīng)用并不充分，大多數(shù)天然纖維被用于燃料。對于天然的植物纖維也有著很高的強(qiáng)度和剛度，因此用天然纖維作為增強(qiáng)基的復(fù)合材料有著較高的性價(jià)比。天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也是紡織品產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向[1]。

1.2天然纖維種類和性能

在我們的大自然中可以用作復(fù)合材料增強(qiáng)基的天然纖維有許多。其中較常用的有棉纖維、麻纖維和竹子纖維等的纖維素纖維。這些種類的纖維都具備質(zhì)量輕、價(jià)格低、可以再生循環(huán)利用的特點(diǎn)，無論是環(huán)境保護(hù)還是經(jīng)濟(jì)研究成本都有著可觀的表現(xiàn)，當(dāng)然不同的復(fù)合基所制備的天然纖維復(fù)合材料也有著不同的性能。其中麻類纖維是種類最為豐富的，在天然纖維中也是最長的。洋麻抗張力可達(dá)800Mpa，斷裂伸長也可以達(dá)到百分之1.5。黃麻抗張力為1050Mpa，斷裂伸長可以達(dá)到2.1%。麻纖維的性能十分優(yōu)良，它的強(qiáng)度可以與玻璃纖維強(qiáng)度相比較。最關(guān)鍵的是，我國對于麻纖維資源儲(chǔ)備十分豐富，因此將麻纖維作為天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)基是十分合適的。

2.天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備及性能研究

2.1天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備

2.1.1選用洋麻纖維作為復(fù)合材料

亞麻纖維在經(jīng)過了高溫煮沸，脫膠，漂白等工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)工藝后，為了更進(jìn)一步地提高洋麻纖維的化學(xué)強(qiáng)度和其增強(qiáng)作用性，需要將洋麻在室溫下用濃度約為30%的酸性堿對其進(jìn)行浸泡和加熱處理，促使洋麻纖維繼續(xù)溶脹，提高洋麻纖維和其他纖維壁，這樣就有利于提高洋麻纖維的結(jié)構(gòu)和其他化學(xué)性能。在經(jīng)過這一系列工藝后，洋麻纖維復(fù)合材料可以很好地與酚醛界面結(jié)合，提高了天然纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)性能和動(dòng)力學(xué)抗壓性能。最后我們需要在基體中適量地增加二氧化硅，再將一定長度的黃麻與樹脂按比例溶解，制成水料，放入115℃的器具之中等溫膠化加壓8.80～11.73Pa[2]。再次加溫到165℃到185℃之間，持續(xù)加溫加壓25分鐘，在冷卻后便可以得到天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

2.1.2天然纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料大多采用竹纖維和椰纖維

對于天然纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料，我們主要采用的是竹纖維和椰纖維。對于竹纖維采用蒿竹，截取竹間竹段，通過清，洗浸泡，打磨，干燥等手段制作成為較短的竹纖維。對于椰纖維的制備是將椰子殼撕成條狀，再經(jīng)過清洗、浸泡、打磨和干燥，制成較短的椰纖維。運(yùn)用竹纖維和葉纖維作為復(fù)合基所打造的天然纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料其拉伸，彎曲能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的水泥復(fù)合材料。

2.2天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能

2.2.1天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能特點(diǎn)和影響

據(jù)當(dāng)前研究而言，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的化學(xué)性質(zhì)變化主要受到纖維的含量，密度及纖維基質(zhì)等因素影響。以麻類聚合物纖維為例，將其作為一種復(fù)合材料增強(qiáng)基質(zhì)，現(xiàn)為密度系數(shù)約1.2每立方厘米一克，強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)定為1. 5gpa 。據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告表明，在特定狀態(tài)下對于自然植物纖維采用三種不同的取向狀態(tài)時(shí)，其中，二維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的剛度最高值一般是單個(gè)二維取向纖維的剛度為20～ 30gpa ，兩維取向纖維鋼度為8～ 12gpa ，三維取向纖維的剛度為4～ 6gpa 。對于一些高性能的自然纖維，它也是一種具有極高的機(jī)械化學(xué)性能，不管是對于它們的纖維密度或者是高程都有著極高的數(shù)值。在對比玻璃纖維和天然纖維時(shí)，在同樣的重量纖維下由天然纖維打造了復(fù)合材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于玻璃纖維指數(shù)。

2.2.2天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在性能成本上的優(yōu)勢

在一般的工業(yè)生產(chǎn)之中，生產(chǎn)成本對于一個(gè)企業(yè)的發(fā)展是十分重要的。工業(yè)品的生產(chǎn)之中對于纖維的選擇既要講究價(jià)格，也要講求性能，因此天然纖維是一個(gè)不二之選。雖然天然纖維是一種可再生利用資源，但對于其的提取和加工也需要著其他的費(fèi)用。因此在一般生產(chǎn)之中，我們通常使用兩維無序纖維，目的是在于提高天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用的性價(jià)比，以此降低企業(yè)對于天然纖維使用的生產(chǎn)成本。對比玻璃纖維和天然纖維，將兩種纖維分別制作成同類的非織造布?xì)?，天然纖維的制作成本是每千克為18元，而玻璃纖維的成本是每千克為26元。我們可以清晰的看到玻璃纖維布?xì)之a(chǎn)品的制作成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然纖維。因此我們可以認(rèn)為天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在相同成本下比性價(jià)比高于玻璃纖維。

2.2.3常用的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料價(jià)格比

不同的增強(qiáng)復(fù)合材料用纖維材料的價(jià)格比也是有著一定的差距。如下表所示。

2.3天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的現(xiàn)代發(fā)展

天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在歐美市場上主要是熱塑性纖維和熱固性纖維的復(fù)合材料，其主要用于汽車零件生產(chǎn)。例如利用50%的 PP和50%的天然纖維所制成的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛提供給美國汽車市場其中就包括奔馳和福特。按一定比例混合洋麻和亞麻作為增強(qiáng)基以非制造形式與樹脂結(jié)合可以生產(chǎn)出用于汽車內(nèi)部裝飾零件的熱固性增強(qiáng)復(fù)合材料。而按對半比例混合亞麻纖維和碳纖維制造的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，因?yàn)樘祭w維極強(qiáng)的剛度和亞麻纖維優(yōu)良的減震效果，其復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用于自行車構(gòu)架的生產(chǎn)。這幾年來隨著能源壓力和低碳消費(fèi)的發(fā)展，全球汽車行業(yè)開始推動(dòng)汽車零部件大量被天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代，因此人們認(rèn)為天然纖維制造的增強(qiáng)復(fù)合材料有著廣泛的潛力市場[3]。

2.4國內(nèi)可利用的天然纖維資源及其增強(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā)

麻類纖維有著極好的機(jī)械性能，特別是洋麻或黃麻，從當(dāng)前天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)研究上看，我國麻類天然纖維從種植到加工已經(jīng)有著一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，因此對于麻類天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā)和研究是相對便利的。

我國麻類纖維種植發(fā)展歷史十分悠久，麻類纖維的品類也十分完善。我國湖南、湖北、四川、河南等一帶地區(qū)主要種植的是苧麻，浙江、安徽一帶多有黃麻和洋麻，而在黑龍江，吉林，甘肅，內(nèi)蒙古寧夏一帶多種植的是亞麻和胡麻。此外我國野生麻的種植多在新疆，江蘇，內(nèi)蒙古。在這些種類豐富的麻類植物資源中，苧麻、亞麻、黃麻和洋麻已經(jīng)有著完整的生產(chǎn)工業(yè)鏈。由天然纖維打造的天然纖維熱塑性增強(qiáng)復(fù)合材料和天然纖維熱固性增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)在車類市場中廣泛應(yīng)用，無論是在大型卡車上還是公交車的生產(chǎn)行業(yè)中都有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。因此我們要推?dòng)建設(shè)國內(nèi)天然植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等研究和開發(fā)力度才能更好的拓展和打造天然纖維復(fù)合材料發(fā)展的市場。

總結(jié)

總而言之，隨著人們對于社會(huì)發(fā)展的要求越來越高，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也迎來了發(fā)展的高潮，加強(qiáng)對天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備和性能研究，不斷創(chuàng)新和探索，我們才能跟上時(shí)代發(fā)展的步伐。

參考文獻(xiàn)：

[1]王定，王春紅，陳禎，等.天然纖維增強(qiáng)聚丙烯基復(fù)合材料的制備及靜，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J].塑料工業(yè)，2017，45（1）：108-112.

[2]吳金勇，劉麗娜，傅深淵.纖維增強(qiáng)EP復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2019，v.47;No.353（03）：140-143.

[3]鞏祥壯，周楠婷，張祥福，等.一種具有防霉，抗菌性能的天然纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法：，CN105504501A[P].2016.