植物纤维自结合成型环保材料研究进展

传统植物纤维材料，例如纤维板，是以木质纤维或其他植物纤维为原料，经施加胶黏剂压制而成，具有可加工性好、表面光滑平整、板材均匀、强度高和适合于表面装饰等特点，但常用的含醛胶黏剂，长期使用会释放甲醛等有害气体，对家居环境和人体有害，与人们追求环保和可持续发展的理念相违背。因此，基于植物纤维开发绿色环保材料成为当前研究的热点。

植物纤维自结合成型环保材料是一种以植物纤维为原料，利用植物纤维自身的化学成分和结构形成结合力，在不添加胶黏剂的条件下，制成的具有一定结构和强度的绿色环保材料。目前主要有植物微米纤维成型材料、植物纳米纤维素结构材料和植物微纳米纤维结构材料，其制备工艺与性能如表 1 所示。

植物微米纤维成型材料是将植物原料加工成以微米纤维为主的原料，通过快速高温热压利用其化学组分相互反应结合而成的绿色环保材料，由于其结合力弱，力学性能相对较低，常作为非结构用材料；植物纳米纤维素结构材料是将植物原料加工成纳米纤维素，通过热压利用大量的氢键结合而成的绿色环保材料，由于纳米纤维素具有优异的纳米效应，这种材料力学性能优异，但其制备工艺复杂、成型周期长、成本过高，限制其大规模应用；植物微纳米纤维结构材料是以植物微米与纳米纤维混合物制备的绿色环保材料，微纳米纤维具有高比表面积、轻质、高强度、高模量、低热膨胀系数等特点，赋予了植物微纳米纤维结构材料优异的力学性能，但是其制备工艺复杂、成本高，目前难以大规模生产，而这些问题是植物纤维应用于高性能自结合成型结构材料领域所亟需解决的主要问题。

植物微米纤维成型材料主要靠植物纤维自身化学成分相互反应形成的结合力，力学性能较低，因此目前多采用预处理方法或加入添加剂来促进植物纤维之间紧密结合，以提高植物微米纤维成型材料的性能。本节将主要介绍经过预处理或加入添加剂的植物微米纤维成型材料的制备工艺和性能表现。

1、经过预处理的植物微米纤维成型材料

在植物微米纤维成型材料制备过程中，预处理主要是为了破坏木质素和半纤维素对纤维素的包裹作用，降低纤维素的结晶度，增加纤维素纤维的比表面积，使得木质纤维素组分在热压过程中能够更充分参与反应，包括木质素的缩合反应和半纤维素水解产生单糖等，以此来增强纤维与纤维之间的结合力。近年来，物理、蒸汽爆破、化学和生物酶等方法常被用于预处理植物纤维，增强植物纤维之间结合成型，使得植物微米纤维成型材料能够获得更优异物理力学性能。

物理预处理主要采用机械粉碎法，对植物纤维进行充分粉碎，以降低其粒径及结晶度，增加其比表面积，以提高植物纤维自结合成型材料性能。

化学预处理方法主要是利用化学试剂破坏木质纤维素的化学键，促进半纤维素和木质素的降解，释放出更多游离的羟基，这些羟基在高温高压的条件下形成氢键，有助于提高植物微米纤维成型材料的物理力学性能。

2、加入添加剂的植物微米纤维成型材料

在植物微米纤维成型材料的制备过程中，由于没有胶黏剂的使用，木质素的缩合反应以及木质素-糠醛键被认为是材料自结合成型的部分原因，新的化学键形成对植物微米纤维成型材料的结构和性能有很大的影响，所以目前在很多研究中通过添加一定比例的木质素、糖类等添加剂来提高植物纤维自结合成型材料的性能，取得了显著效果。

二、植物纳米纤维素结构材料

纳米纤维素可以从植物细胞壁中提取，具有出色的可生物降解性，可以在自然环境中被迅速分解，植物纳米纤维素还具有高比表面积、高强度、高刚度、低热膨胀系数和低密度等优异特性，因此，所制备的植物纳米纤维素结构材料具有广阔的应用前景。纳米纤维素作为一维材料，将其优异的特性扩展到宏观水平是当前研究的热点，以纳米纤维素为基体，构建高性能的结构材料仍然存在着很大的挑战。

植物纳米纤维素结构材料具有优异性能，明显高于植物微米纤维成型材料，展示了其优异的纳米级材料特性，但是植物纳米纤维素结构材料采用水凝胶逐层堆叠的方法，制备工艺复杂且材料成型周期长，制备成本过高，仍制约其大规模工业化生产。

三、植物微纳米纤维结构材料

为了解决植物纳米纤维素结构材料制备工艺复杂和制备成本过高的问题，同样具有优异纳米特性的植物微纳米纤维愈来愈受到人们的关注，从微纳米尺度结合的角度出发，制备出植物微纳米纤维结构材料，以求简化制备工艺和降低生产成本。

四、植物纤维复合材料的六大应用领域 

1、汽车

近年来，由于全球对环境和资源问题的日益关注,越来越多的汽车制造商开始寻求可持续发展材料来制备汽车零部件。梅赛德斯-奔驰、宝马、奥迪和大众等德国汽车制造商大规模地在汽车内部和外部部件使用植物纤维增强复合材料。

不管是迈凯轮赛车的第一个植物纤维F1座椅，保时捷Cayman 718 GT4 CS MR的全植物纤维车身套件，日本丰田汽车公司开发的由甘蔗制成的生态塑料汽车内饰，还是沃尔沃采用植物纤维作内饰材料的Polestar Precept量产车型，都是植物纤维复合材料在汽车领域的探索应用。  

2、航空

利用多层级界面损伤断裂设计概念与多尺度声学结构细观设计原则,采用植物纤维增强复合材料制备了大型水陆两用运输机蛟龙 600 原型机的前机舱内壁板,不仅取得了较好的减重、隔音等效果,还增加了机舱结构的美感。这是植物纤维复合材料首次在国内飞机结构内饰上的亮相,该新产品和新技术向国内外传递了一种非传统、选择性的材料与结构的替代方案，为展示推动低碳、减排的“绿色航空”发挥了非常积极的作用。

针对某型飞机舱内噪声过大所带来的困扰,研究人员采用平纹苎麻纤维织物、酚醛树脂与芳纶蜂窝通过热压罐工艺制备了力学性能优异、隔声量高、重量轻、阻燃性好的内饰板和防冰板结构。这些结构已通过了相关环境适应性试验,并得到示范应用,这一应用也证明植物纤维增强复合材料可以成为满足航空领域兼顾减重、降噪等需求的新型材料。近年来,通过多个航空舱内结构件的示范应用表明苎麻、亚麻等生物质材料能够跟当前飞机制造所选用的玻璃纤维相竞争,证明了绿色复合材料在航空这一具有挑战领域的应用潜力。  

3、体育休闲用品

近年来,基于植物纤维增强复合材料的高的比力学性能和优异的阻尼性能,以及资源友好、绿色环保等特点,植物纤维增强复合材料也已开始被用于制造冲浪板、羽毛球拍、钓鱼竿滑雪板、雪杖等体育用品,在赋予这些用品更优异的性能的同时,也实现了体育休闲用品可持续发展的目标。

4、乐器

利用植物纤维特殊的空腔结构、阻尼特性及其连带的时尚性,近年来复合材料展会上也出现了一些使用植物纤维增强复合材料制造的音箱和以吉他为代表的乐器，这些新设计和新产品尚不足以冲击音乐和音响的传统市场,但不失为一种时尚的补充。有报道指出,采用植物纤维增强复合材料制备的乐器具有更佳的音色。

5、轨道交通领域

通过真空灌注工艺制得苎麻纤维/玻璃纤维增强聚酯混杂复合材料内饰板结构,并将染整图案的苎麻织物作为该内饰板表面装饰层,也已在轨道交通车辆中得到示范应用。该内饰板易于制造,且能承载吸收噪声并减振,比传统内饰板仅有的装饰作用更具性价比优势。

例如，昆明地铁1号线车厢中间侧墙大开口苎麻纤维/玻璃纤维增强混杂复合材料壁板制备过程。该复合材料制件经过三年以上的试运行，取得了较好的内饰结构减重、隔声的效果，实现了连续植物纤维增强复合材料在我国轨道工具内饰材料领域的首次验证及应用。  

6、建筑领域

在国家大力倡导建设环境友好型社会和实现可持续发展的背景下，开发植物纤维增强树脂基复合材料助力绿色建筑产业发展，已经成为国内外先进材料及技术领域共同关注的话题。  

我国植物纤维资源十分丰富，通过研制高性能植物纤维增强复合材料结构,并实现其在航空、轨道交通、汽车、船舶及建筑等领域的规模化应用，不仅能够提高植物纤维的附加值和利用效率，而且对于解决全球环境和资源问题具有积极的意义。 

参考资料：