傳統(tǒng)植物纖維材料，例如纖維板，是以木質(zhì)纖維或其他植物纖維為原料，經(jīng)施加膠黏劑壓制而成，具有可加工性好、表面光滑平整、板材均勻、強(qiáng)度高和適合于表面裝飾等特點(diǎn)，但常用的含醛膠黏劑，長(zhǎng)期使用會(huì)釋放甲醛等有害氣體，對(duì)家居環(huán)境和人體有害，與人們追求環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念相違背。因此，基于植物纖維開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保材料成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

植物纖維自結(jié)合成型環(huán)保材料是一種以植物纖維為原料，利用植物纖維自身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)形成結(jié)合力，在不添加膠黏劑的條件下，制成的具有一定結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的綠色環(huán)保材料。目前主要有植物微米纖維成型材料、植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料和植物微納米纖維結(jié)構(gòu)材料，其制備工藝與性能如表 1 所示。

植物微米纖維成型材料是將植物原料加工成以微米纖維為主的原料，通過(guò)快速高溫?zé)釅豪闷浠瘜W(xué)組分相互反應(yīng)結(jié)合而成的綠色環(huán)保材料，由于其結(jié)合力弱，力學(xué)性能相對(duì)較低，常作為非結(jié)構(gòu)用材料；植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料是將植物原料加工成納米纖維素，通過(guò)熱壓利用大量的氫鍵結(jié)合而成的綠色環(huán)保材料，由于納米纖維素具有優(yōu)異的納米效應(yīng)，這種材料力學(xué)性能優(yōu)異，但其制備工藝復(fù)雜、成型周期長(zhǎng)、成本過(guò)高，限制其大規(guī)模應(yīng)用；植物微納米纖維結(jié)構(gòu)材料是以植物微米與納米纖維混合物制備的綠色環(huán)保材料，微納米纖維具有高比表面積、輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，賦予了植物微納米纖維結(jié)構(gòu)材料優(yōu)異的力學(xué)性能，但是其制備工藝復(fù)雜、成本高，目前難以大規(guī)模生產(chǎn)，而這些問(wèn)題是植物纖維應(yīng)用于高性能自結(jié)合成型結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域所亟需解決的主要問(wèn)題。

植物微米纖維成型材料主要靠植物纖維自身化學(xué)成分相互反應(yīng)形成的結(jié)合力，力學(xué)性能較低，因此目前多采用預(yù)處理方法或加入添加劑來(lái)促進(jìn)植物纖維之間緊密結(jié)合，以提高植物微米纖維成型材料的性能。本節(jié)將主要介紹經(jīng)過(guò)預(yù)處理或加入添加劑的植物微米纖維成型材料的制備工藝和性能表現(xiàn)。

1、經(jīng)過(guò)預(yù)處理的植物微米纖維成型材料

在植物微米纖維成型材料制備過(guò)程中，預(yù)處理主要是為了破壞木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素的包裹作用，降低纖維素的結(jié)晶度，增加纖維素纖維的比表面積，使得木質(zhì)纖維素組分在熱壓過(guò)程中能夠更充分參與反應(yīng)，包括木質(zhì)素的縮合反應(yīng)和半纖維素水解產(chǎn)生單糖等，以此來(lái)增強(qiáng)纖維與纖維之間的結(jié)合力。近年來(lái)，物理、蒸汽爆破、化學(xué)和生物酶等方法常被用于預(yù)處理植物纖維，增強(qiáng)植物纖維之間結(jié)合成型，使得植物微米纖維成型材料能夠獲得更優(yōu)異物理力學(xué)性能。

物理預(yù)處理主要采用機(jī)械粉碎法，對(duì)植物纖維進(jìn)行充分粉碎，以降低其粒徑及結(jié)晶度，增加其比表面積，以提高植物纖維自結(jié)合成型材料性能。

化學(xué)預(yù)處理方法主要是利用化學(xué)試劑破壞木質(zhì)纖維素的化學(xué)鍵，促進(jìn)半纖維素和木質(zhì)素的降解，釋放出更多游離的羥基，這些羥基在高溫高壓的條件下形成氫鍵，有助于提高植物微米纖維成型材料的物理力學(xué)性能。

2、加入添加劑的植物微米纖維成型材料

在植物微米纖維成型材料的制備過(guò)程中，由于沒(méi)有膠黏劑的使用，木質(zhì)素的縮合反應(yīng)以及木質(zhì)素-糠醛鍵被認(rèn)為是材料自結(jié)合成型的部分原因，新的化學(xué)鍵形成對(duì)植物微米纖維成型材料的結(jié)構(gòu)和性能有很大的影響，所以目前在很多研究中通過(guò)添加一定比例的木質(zhì)素、糖類(lèi)等添加劑來(lái)提高植物纖維自結(jié)合成型材料的性能，取得了顯著效果。

二、植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料

納米纖維素可以從植物細(xì)胞壁中提取，具有出色的可生物降解性，可以在自然環(huán)境中被迅速分解，植物納米纖維素還具有高比表面積、高強(qiáng)度、高剛度、低熱膨脹系數(shù)和低密度等優(yōu)異特性，因此，所制備的植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料具有廣闊的應(yīng)用前景。納米纖維素作為一維材料，將其優(yōu)異的特性擴(kuò)展到宏觀水平是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，以納米纖維素為基體，構(gòu)建高性能的結(jié)構(gòu)材料仍然存在著很大的挑戰(zhàn)。

植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異性能，明顯高于植物微米纖維成型材料，展示了其優(yōu)異的納米級(jí)材料特性，但是植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料采用水凝膠逐層堆疊的方法，制備工藝復(fù)雜且材料成型周期長(zhǎng)，制備成本過(guò)高，仍制約其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

三、植物微納米纖維結(jié)構(gòu)材料

為了解決植物納米纖維素結(jié)構(gòu)材料制備工藝復(fù)雜和制備成本過(guò)高的問(wèn)題，同樣具有優(yōu)異納米特性的植物微納米纖維愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注，從微納米尺度結(jié)合的角度出發(fā)，制備出植物微納米纖維結(jié)構(gòu)材料，以求簡(jiǎn)化制備工藝和降低生產(chǎn)成本。

四、植物纖維復(fù)合材料的六大應(yīng)用領(lǐng)域 

1、汽車(chē)

近年來(lái)，由于全球?qū)Νh(huán)境和資源問(wèn)題的日益關(guān)注,越來(lái)越多的汽車(chē)制造商開(kāi)始尋求可持續(xù)發(fā)展材料來(lái)制備汽車(chē)零部件。梅賽德斯-奔馳、寶馬、奧迪和大眾等德國(guó)汽車(chē)制造商大規(guī)模地在汽車(chē)內(nèi)部和外部部件使用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

不管是邁凱輪賽車(chē)的第一個(gè)植物纖維F1座椅，保時(shí)捷Cayman 718 GT4 CS MR的全植物纖維車(chē)身套件，日本豐田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的由甘蔗制成的生態(tài)塑料汽車(chē)內(nèi)飾，還是沃爾沃采用植物纖維作內(nèi)飾材料的Polestar Precept量產(chǎn)車(chē)型，都是植物纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的探索應(yīng)用。  

2、航空

利用多層級(jí)界面損傷斷裂設(shè)計(jì)概念與多尺度聲學(xué)結(jié)構(gòu)細(xì)觀設(shè)計(jì)原則,采用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備了大型水陸兩用運(yùn)輸機(jī)蛟龍 600 原型機(jī)的前機(jī)艙內(nèi)壁板,不僅取得了較好的減重、隔音等效果,還增加了機(jī)艙結(jié)構(gòu)的美感。這是植物纖維復(fù)合材料首次在國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)飾上的亮相,該新產(chǎn)品和新技術(shù)向國(guó)內(nèi)外傳遞了一種非傳統(tǒng)、選擇性的材料與結(jié)構(gòu)的替代方案，為展示推動(dòng)低碳、減排的“綠色航空”發(fā)揮了非常積極的作用。

針對(duì)某型飛機(jī)艙內(nèi)噪聲過(guò)大所帶來(lái)的困擾,研究人員采用平紋苧麻纖維織物、酚醛樹(shù)脂與芳綸蜂窩通過(guò)熱壓罐工藝制備了力學(xué)性能優(yōu)異、隔聲量高、重量輕、阻燃性好的內(nèi)飾板和防冰板結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)已通過(guò)了相關(guān)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn),并得到示范應(yīng)用,這一應(yīng)用也證明植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以成為滿(mǎn)足航空領(lǐng)域兼顧減重、降噪等需求的新型材料。近年來(lái),通過(guò)多個(gè)航空艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件的示范應(yīng)用表明苧麻、亞麻等生物質(zhì)材料能夠跟當(dāng)前飛機(jī)制造所選用的玻璃纖維相競(jìng)爭(zhēng),證明了綠色復(fù)合材料在航空這一具有挑戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。  

3、體育休閑用品

近年來(lái),基于植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高的比力學(xué)性能和優(yōu)異的阻尼性能,以及資源友好、綠色環(huán)保等特點(diǎn),植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也已開(kāi)始被用于制造沖浪板、羽毛球拍、釣魚(yú)竿滑雪板、雪杖等體育用品,在賦予這些用品更優(yōu)異的性能的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了體育休閑用品可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

4、樂(lè)器

利用植物纖維特殊的空腔結(jié)構(gòu)、阻尼特性及其連帶的時(shí)尚性,近年來(lái)復(fù)合材料展會(huì)上也出現(xiàn)了一些使用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的音箱和以吉他為代表的樂(lè)器，這些新設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品尚不足以沖擊音樂(lè)和音響的傳統(tǒng)市場(chǎng),但不失為一種時(shí)尚的補(bǔ)充。有報(bào)道指出,采用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備的樂(lè)器具有更佳的音色。

5、軌道交通領(lǐng)域

通過(guò)真空灌注工藝制得苧麻纖維/玻璃纖維增強(qiáng)聚酯混雜復(fù)合材料內(nèi)飾板結(jié)構(gòu),并將染整圖案的苧麻織物作為該內(nèi)飾板表面裝飾層,也已在軌道交通車(chē)輛中得到示范應(yīng)用。該內(nèi)飾板易于制造,且能承載吸收噪聲并減振,比傳統(tǒng)內(nèi)飾板僅有的裝飾作用更具性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。

例如，昆明地鐵1號(hào)線(xiàn)車(chē)廂中間側(cè)墻大開(kāi)口苧麻纖維/玻璃纖維增強(qiáng)混雜復(fù)合材料壁板制備過(guò)程。該復(fù)合材料制件經(jīng)過(guò)三年以上的試運(yùn)行，取得了較好的內(nèi)飾結(jié)構(gòu)減重、隔聲的效果，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在我國(guó)軌道工具內(nèi)飾材料領(lǐng)域的首次驗(yàn)證及應(yīng)用。  

6、建筑領(lǐng)域

在國(guó)家大力倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的背景下，開(kāi)發(fā)植物纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料助力綠色建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)材料及技術(shù)領(lǐng)域共同關(guān)注的話(huà)題。  

我國(guó)植物纖維資源十分豐富，通過(guò)研制高性能植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)其在航空、軌道交通、汽車(chē)、船舶及建筑等領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用，不僅能夠提高植物纖維的附加值和利用效率，而且對(duì)于解決全球環(huán)境和資源問(wèn)題具有積極的意義。 

參考資料：