复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料，在工农业领域发挥着至关重要的作用。碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等合成纤维因其高力学性能、高密度而被用做复合材料的增强体，但其存在不可降解回收、使用后造成环境污染等缺陷。植物纤维种类繁多，可分为木纤维、非木材纤维以及再生植物纤维等，植物纤维在价格、碳排放和可回收性方面具有显著优势，在一些应用领域有望成为合成纤维的替代品。植物纤维是由碳水化合物、苯酚类物质以及萜烯类物质组成的丝状或絮状物，种类繁多，资源丰富，且具有比强度高、可降解和可再生等优良特性，是天然绿色生物质纤维原料，符合国家可持续发展要求以及“碳中和”发展目标要求。将植物纤维作为树脂基复合材料的增强材料，不仅可以实现植物纤维资源的高效高值化利用，提升复合材料的综合应用性能，而且还可以降低复合材料制备成本。本文综述了不同种类植物纤维增强聚乳酸(PLA)、 聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)三种可降解高分子材料的研究进展，对各种复合材料的综合性能进行分析比较，并对其应用性能和前景进行了总结与展望。
1 植物纤维增强 PLA 基复合材料
PLA 是一种热塑性聚合物， 由可再生的糖基原料经一系列处理聚合得到，主要原料是玉米、木薯等，可以替代不可生物降解或难降解的聚合物，是理想的绿色高分子材料。PLA 可满足挤压、注塑、吹塑等成型工艺，广泛应用于一次性用品和生物医药领域，具有良好的可降解特性。PLA 具有优异的机械性能，但其本身的耐热性差、阻隔性和抗紫外线性能较差，降解速度缓慢等缺陷限制了其应用，将植物纤维用于增强 PLA 其强度有明显提升，并可以有效改善其缺陷。1.1 麻纤维/PLA 复合材料
麻纤维强度高，对 PLA 力学性能增强效果相较于玻璃纤维有小幅提升；麻纤维种类繁多，强度大，表1为不同品种麻纤维增强 PLA 复合材料的力学性能。纤维排列方向亦会影响材料力学性能和成型效率，纤维单向排列可形成高强度材料，然而强度方向性明显；此外，还有交叉、环向、螺旋排列等，应根据具体应用要求合理选择，以提高材料力学性能和成型质量。表1.不同含量与种类麻纤维改性后增强 PLA 复合材料力学性能
1.1.2 吸湿性
麻纤维吸湿性强，接触水分时通过毛细效应吸附水分到复合材料内部造成膨胀或变形，在纤维周围形成微裂纹，影响复合材料力学性能。麻纤维等天然纤维吸湿性强、吸湿后膨胀率高，复合材料在潮湿环境下工作易发生形变使力学性能降低，因此，应深入研究纤维与基体表面作用机制，降低其吸水性以满足不同场景应用需求。1.2 木质素/PLA 复合材料
木质素是复杂有机聚合物，由3 种苯丙烷单元(愈创木基、紫丁香基、对羟苯基)通过醚键和碳碳键相互连接形成。1.2.1 阻隔性与抗菌性
木质素含有苯环、羰基和双键等结构，在紫外光区域的光吸收使其成为天然的紫外线屏蔽材料。以低共熔溶剂(DES)从松木残渣中提取木质素，并对木质素进行乙醇和丙酮分级以及琥珀酸酐(SAn)酯化改性(AML)， 熔融共混制备木质素/PLA 复合材料。结果表明，木质素由于其苯环结构和苯酚单元而具有抗菌性，不同方法提取的木质素具有不同的杀菌性能，木质素/PLA 样品对革兰氏阳性菌的抑制效果较好，AML/PLA 使大肠杆菌活性降低，对金黄色葡萄球菌的抗菌性能高达 95%。 食品包装材料应为食品提供紫外线防护，并具有一定透光性和优异的水蒸气阻隔性，添加木质素后复合材料具有优异的抑菌性、紫外线和水气阻隔性，有望应用于制药、医疗和食品包装领域；此外，木质素功能受来源、提取方式及改性方法的不同而产生较大差异，在今后的选择应用上需要进行差异化分析以实现其价值最大化。1.2.2 热稳定性
木质素苯丙烷结构在高温下具有优异热稳定性，能有效降低热量传导，从而维持结构稳定，未来具有作为阻燃材料的可能。除木质素外，其它天然纤维也具有优异的热稳定性增强效果。1.3 竹纤维/PLA 复合材料
竹纤维(BF)具有轻质高强、绿色环保等特点，可替代玻璃纤维等合成纤维作为增强材料，将其用于增强 PLA 可显著增强复合材料力学性能(如表2所示)，同时提高其热稳定性。竹纤维表面存在木质素，沉积木质素使纤维与基体之间的界面结合更加紧密，且木质素在高温下生成更稳定的碳层，可以阻止复合材料进一步分解。表2. 不同比例改性竹纤维增强 PLA 材料力学性能
1.4 秸秆纤维/PLA 复合材料
1.4.1 热稳定性
相较于植物纤维与高分子聚合物，无机填料通常热稳定性更加优异，不同无机填料对降低热膨胀有不同作用机制和效果。无机填料具有大比表面积，在复合材料中形成层状结构作为屏障，减缓热量传导速度，从而提高热稳定性。此外，无机填料对其他性能也有明显改善效果，如表 3所示。表3.添加无机填料对纤维增强复合材料的性能优势
1.4.2 降解速率
PLA 是一种可生物降解的高分子材料，但降解速度缓慢，其分子量较大时难以被微生物直接利用。相较于 PLA，天然纤维复合材料中 PLA 组分可降解性显著提升，添加海藻酸钠等可破坏其结晶区结构并降低结晶度，加快降解速率。此外，不同降解条件下降解速率差异明显， 堆肥降解属于人为控制的降解方式，相较于土壤降解其速率更快。同时堆肥降解中，合理调控堆肥的碳氮比、水分含量、通气条件和控制堆肥的温度，可以提高堆肥的降解效率。 综上所述， PLA 主要缺陷为热稳定性较差、降解速率缓慢等，添加增强纤维时，纤维排列方式及制备工艺对复合材料强度有较大影响；不同植物纤维及改性方式对其增强效果有显著差异，植物纤维增强 PLA 复合材料未来应集中于水气阻隔性和热稳定性提升、加快降解速率等领域，以扩大其在包装、建筑和医疗等领域的应用。2 植物纤维增强 PBAT 基复合材料
PBAT 一种可生物降解的脂肪族-芳香族共聚酯，被广泛用于包装，生物医药和工业堆肥等领域，相较于传统塑料， PBAT 具有拉伸强度较低、紫外屏蔽性和水气阻隔性较差等缺陷，阻碍了PBAT 的发展和应用。以植物纤维增强 PBAT，可有效改善复合材料的力学性能与阻隔性能，扩大PBAT 应用范围。2.1 麻纤维/PBAT 复合材料
麻纤维可有效提高复合材料拉伸强度和模量等力学性能，也可将其应用于传感器制备等功能化应用。然而其与 PBAT 均属于易燃材料，使用过程中有较大安全隐患，应深入复合材料阻燃机制研究，调控复合材料结构设计，如纳米级的结构设计与控制， 可以进一步提高其阻燃性。2.2 木质素/PBAT 复合材料
PBAT 与麻纤维等其他植物纤维所制备的复合材料在高温或紫外光下易发生老化和失效，限制了其在部分领域的应用。添加改性木质素可以提高复合材料表面疏水性，限制初始水蒸气接触，且均匀分散在 PBAT 基质中的疏水微粒对水蒸气和氧气的运动起到了物理屏障作用，使其运动路径复杂化，大大提高水蒸气和氧气阻隔性；木质素具有优异的紫外线屏蔽性，将其用作 PBAT 增强体，可显著降低紫外光透过率，减缓 PBAT 降解速率，延长复合材料户外使用寿命。 2.2.2 力学性能
木质素对 PBAT 力学性能有明显的增强作用，木质素是木材加工或废弃物处理的副产品，将其用于增强 PBAT 等聚合物，实现了对资源的综合利用。同时，木质素与PBAT 等聚合物的充分混合与分散存在一定难度，影响复合材料的加工性能和工艺稳定性。2.3 秸秆纤维/PBAT 复合材料
纤维与基体尺寸越小其相容性越强，结合更为紧密，拉伸强度和断裂伸长率更高，复合材料内部孔洞减少，可有效降低吸水性，因此可以考虑控制纤维与基体尺寸来增强复合材料性能。相较于玻璃纤维等增强材料，秸秆纤维具有更低的成本与密度，将其用于增强复合材料可以显著降低成本、减轻材料重量，提高比强度和比刚度。未来研究应继续开发循环利用技术，推动废弃秸秆的资源化利用，替代金属和塑料等在包装、建筑汽车等领域的应用。 综上所述， PBAT 是一种具有低拉伸强度和高断裂伸长率的高弹性聚合物，相较于 PBAT，木质纤维素纤维具有更高的模量和更低的断裂伸长率，因此，添加木质纤维提高其强度和模量的同时会显著降低复合材料断裂伸长率，改善 PBAT 紫外屏蔽性和水气阻隔性，可用来代替传统户外建筑材料，可减少环境污染。未来研究中，应将 PBAT 与其他功能性材料或添加剂相结合，开发具有多功能性能的复合材料，如导电性、抗菌性等，拓展其应用领域。3 植物纤维增强 PBS 基复合材料
PBS 是一种可生物降解的脂肪族聚酯，有良好的熔融加工性和热稳定性，主要应用于生物医学、 食品包装和农业等领域。同时 PBS 具有力学性能较差和成本较高等缺陷，添加植物纤维后其界面结合性较差，极大地限制了其应用，因此可以考虑选择合适改性方案进行处理，并促进PBS 的功能化应用。3.1 麻纤维/PBS 复合材料
由于纤维与基体界面活性相异，导致其结合能力较差，应通过合适的改性方式增强其界面结合性。有机粘土等填料可在纳米尺度上增强纤维与基体界面结合性，进而提升复合材料综合性能。不同物理化学改性方式为增强复合材料界面结合能力提供有效途径，但需要合适选择改性方式和改性条件，如蒸汽爆破温度和压力、等离子体处理电压、有机粘土含量和 PDA 浓度等，以确保达到最佳改性效果。3.2 竹纤维/PBS 复合材料
硅烷偶联剂可显著改善界面相容性，有效传递载荷，减轻应力集中现象，提高复合材料力学性能。KH560、APTES 等硅烷偶联剂具有优异的改性效果，但降解后化学残留可能会污染环境，应进一步探索环保改性剂与改性方法，提高复合材料性能的同时不对环境造成影响。3.2.2 功能化应用
除可显著提升力学性能外，竹纤维还具备抗菌性，可抑制微生物生长，吸收空气中甲醛、 甲苯等有害物质，将竹纤维用于增强 PBS，可充分发挥其优良性能，制备功能型抗菌新材料。复合材料抗菌性研究中，为获得高效稳定的反硝化速率，应深入研究细菌与真菌相互作用、复合材料的组分重量比和纤维材料的预处理、以及功能性细菌和真菌的生物增强以提高反硝化性能。3.3 木质素/PBS 复合材料
木质素在抗氧化、抑菌、防紫外线等方面效果显著，其在功能性医用材料生产中具有很大潜力。木质素增强效果显著，价格低廉，可大幅降低PBS 成本，并拓宽其医药等领域的应用。近年来的研究广泛探索了植物纤维在药物释放、食品包装、生物医药、吸附材料和纳米载体等方面的潜在应用。PBS 中添加 LNPs （木质素纳米颗粒）可延长食物的保质期，并可能应用于其他易受真菌腐蚀的食品；医疗领域中，添加LNPs 后 PBS 抗氧化材料能降低活性氧和自由基的浓度，促进伤口愈合， PBS 抗菌材料可减少细菌附着，降低患者发病率/死亡率和医疗成本。 植物纤维增强树脂基复合材料加工过程中，纤维与基体粒径大小、纤维在基体上的排列方向、加工温度与成型工艺、不同改性方法及无机填料等对复合材料性能影响极大，应合理选择最佳工艺。植物纤维相较于玻璃纤维等合成纤维成本更低，且对环境无污染，具有良好的降解速率。由本文综述的不同植物纤维增强聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)可降解复合材料研究进展得到以下结论： (1)相较于麻、竹、秸秆等纤维，木质素功能性研究更深入，并受来源、提取方式及改性方法的影响而产生较大差异， 但其不易在基体中分散均匀，未来应用需进行差异化分析以实现其高值化，同时深入研究分散策略以避免其在基体中聚集。 (2)植物纤维具有亲水性与易燃性，所制备可降解复合材料具有吸湿性强与易于燃烧等缺陷，未来研究应深入纤维与基体界面结合机制研究，调控复合材料结构设计，如纳米级的结构设计与控制、无机填料复配体系、物理化学结构交联等， 进一步改善复合材料性能。 (3)对纤维进行改性处理时，不同改性方法和试剂可能对纤维形态及完整性造成损伤，影响其增强效果；且部分改性方案会影响复合材料降解速率，应开发新型降解方法及降解环境， 并进一步寻找环保改性剂以减弱降解后化学残留对环境的影响。 未来的研究应对抗菌抗氧化、 水气阻隔、 阻燃抑燃等领域展开全方位系列研究， 实现集高强度、耐水性和功能性于一体的复合材料制备及应用， 并解决与其加工、生产和寿命相关的困难， 植物纤维增强可降解树脂基复合材料因其良好的力学性能、环境友好性以及可循环性将在更多领域得到广泛应用。
来源于2024.05.16《复合材料学报》作者：黄茂财，张效林，常兴，杨梦豪，张继兵．
此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。
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