复合材料的广泛使用带来了废物处置和环境问题。随着人们环境保护意识的提高，人们开始使用环保、可持续和可生物降解的材料。几十年来，天然纤维增强复合材料(NFRC)和可生物降解树脂广泛用于汽车、建筑和其他应用。压力容器、传动轴、储罐、管道等轴对称部件都是通过纤维缠绕工艺制造的。纤维缠绕工艺一般用于合成如玻璃、碳、芳纶纤维。在纤维缠绕中使用天然纤维具有挑战性，因为他们的纤维不连续、亲水性强、与基质的结合力差、位置分散、与合成纤维相比拉伸强度较低。
本文旨在探索天然纤维在长丝缠绕工艺中的潜力。植物纤维中高纤维素含量和低微纤维角(MFA)是天然纤维强度高的原因。表面改性技术提高了纤维和基质之间的粘合性，从而提高了复合材料的拉伸强度。一些研究人员使用剑麻、亚麻和黄麻纤维进行长丝缠绕工艺。
2017年至2024年期间，全球复合压力容器合成材料市场预计将以23%的复合年增长率(CAGR)增长。需要开发适合长丝缠绕的由天然和合成纤维制成的新型混合复合材料。
现有纤维分为合成纤维(例如玻璃、碳、芳纶等)和天然纤维(如黄麻、亚麻、剑麻、蕉麻、洋麻等)，基质可以是聚合物(称为聚合物基质复合材料PMC)、金属(称为MMC)和陶瓷(称为CMS)。大量使用合成纤维和基质产生了废物处理问题，因为合成纤维和基质需要数年时间才能分解。与之相反，天然纤维易于处理，可充分降解。天然纤维增强复合材料(NFRC)和可生物降解树脂基质材料包括小麦、淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉、可生物降解聚酯等。合成纤维的制造需要大量的能源，并且在制造过程中会产生污染。根据先进复合材料制造创新研究所(IACMI-复合材料研究所，美国田纳西州诺克斯维尔)的说法，在碳纤维制造中，热氧化过程非常耗能耗时。
与之相比，NFRC重量轻、经济、可生物降解，广泛应用于汽车工业的门板、车身面板、座椅靠背、内饰等。且适用于手工铺层、压缩成型、注塑成型、真空辅助树脂传递模塑、拉挤成型、纤维缠绕等。尽管天然纤维有这么多好处，但由于纤维缠绕技术制造存在挑战，它们并未广泛应用于压力容器、管道制造和气瓶。天然纤维的长度较短，而纤维缠绕需要连续纤维，而且纤维应具有足够的拉伸强度，因为在纤维缠绕过程中会拉动纤维运动。碱处理、乙酸、苄基异氰酸酯、乙炔硅烷、等离子、偶联剂、臭氧处理等表面改性技术可提高纤维与基质之间的粘附性，从而提高复合材料的拉伸强度。全球复合材料压力容器合成材料消费按应用划分通常占 5% ，2016 年全球复合材料压力容器市场规模为 4.34 亿美元，到 2023 年将达到 18.71 亿美元，预计 2017 年至 2024 年的复合年增长率 (CAGR) 为 23% 。
天然纤维是从植物、动物和矿物中提取的。动物纤维由蛋白质，植物纤维由纤维素作为主要组成元素。水分、纤维排列、纤维处理、纤维分布等因素会影响天然纤维增强复合材料的力学性能。1939 年天然纤维被首次使用制造复合材料部件，亚麻与酚醛基体混合用于制造机身蒙皮。1942 年，亨利·福特使用大麻制造原型车。天然纤维作为复合材料增强材料的使用量一直在增加（2018 年总额为 4030 亿美元），2010 年至 2018 年 的复合年增长率 (CAGR) 为 3.3% 。
纤维可以是预浸渍的（用于湿法纤维工艺），也可以是预浸带或预浸丝（用于干法纤维工艺）。最常用的合成纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维。干纤维在卷绕之前会浸入热固性树脂中。与热塑性树脂相比，热固性树脂需要更多的加工时间。热固性树脂的低粘度有利于在制造过程中对纤维的浸渍。热塑性树脂的粘度要高得多（是热固性树脂的三倍），这在制造过程中需要较大的压力，导致残余应力，从而可能引起变形和基体开裂。通过纤维卷绕制造的管材的机械性能取决于纤维的张力，因此纤维的抗拉强度必须足够高，以便将纤维卷绕在芯模上。天然纤维是亲水性的，而树脂是疏水性的，这削弱了纤维与树脂之间的结合。天然纤维的表面性能可以通过物理处理（如电作用、等离子体、紫外线等）、化学处理（如碱处理、乙酰化、硅烷、苄基异氰酸酯、丙烯酸等）或生物方法（如酶处理、真菌处理、细菌纤维素涂层）来改善。在植物纤维中，纤维的机械性能取决于纤维结构、微纤维角度、细胞尺寸和化学成分。纤维中的纤维素含量对植物（叶）纤维的抗拉强度、稳定性和杨氏模量起着重要作用。纤维素含量越高，抗拉强度越高。叶片类型的纤维由纤维素、半纤维素、果胶、木质素和蜡组成。由于半纤维素是无定形的和非均匀的，半纤维素含量较高会降低抗拉强度。天然纤维的机械性能受到微观结构参数（如纤维素含量和纤维素结晶度）的严重影响。要获得高强度，需要较高的纤维素含量和纤维素结晶度。同时，微纤维角度（MFA）也会影响纤维的强度性能。为了获得高纤维强度，需要较低的MFA和较高的纤维素含量。木纤维的MFA范围在3°到45°之间，而植物纤维（叶纤维）的MFA则相对稳定，在6°到10°范围内。MFA与纤维强度（刚度）成反比。
通过对纤维进行表面处理，可以改善纤维与基体之间的附着力，并减少纤维的湿气吸收能力。表面改性的方法有四种：
i)化学方法（如碱处理、硅烷处理、乙酰化、苯甲酰化等）；
ii) 物理方法（如等离子体、超声波、紫外线等）；
iii) 物理与化学方法的结合（如碱加等离子体、碱加电晕、碱加硅烷等）；
iv) 生物方法（如酶处理、真菌处理、细菌涂层等）。
黄麻：
黄麻纤维的长丝缠绕应用虽然较少，但一些公司已经将其用于特定工业应用。例如，印度的TPI Composites公司开发了黄麻增强的复合材料，用于制造风力涡轮叶片。黄麻纤维与环氧树脂的结合，在风能行业中通过长丝缠绕工艺制造了低风速环境下的叶片。这种复合材料的优点在于黄麻纤维具有高强度、低成本和可再生性，从而减轻了叶片的重量并增强了其耐久性。
孟加拉国也在探索黄麻复合材料在汽车行业中的应用，特别是在低承重的非结构部件中。这些应用通过缠绕工艺制造出轻量化的部件，并提升了材料的抗冲击性能。
剑麻：
剑麻纤维因其优良的抗拉伸和抗冲击性能，被用于长丝缠绕制造压力容器和管道系统。英国工程塑料和复合材料管道公司Pipex是该领域的领先企业之一，他们通过将剑麻纤维与玻璃纤维结合，采用长丝缠绕技术制造了轻量化和抗腐蚀的压力容器。这些产品广泛应用于化工和油气行业，用于运输液体和气体。剑麻纤维具有较高的抗拉伸强度和耐热性能，使其在这些高要求的应用中表现出色。
此外，巴西的Sisaltec公司也采用了类似的长丝缠绕技术，将剑麻纤维与合成纤维结合，制造轻型管道和压力容器。剑麻增强复合材料在管道应用中表现出了极佳的机械性能，并通过减少碳纤维的使用，降低了成本和碳排放。
亚麻：
亚麻纤维在长丝缠绕工艺中的应用相对成熟，特别是在汽车工业中。专注于开发和生产天然纤维高性能复合材料的瑞士公司Bcomp开发了用于长丝缠绕的亚麻增强复合材料，广泛应用于高性能汽车的结构件制造。例如，Bcomp为全电动SUV Volvo EX30设计的内饰件采用了其专有的ampliTex亚麻纤维技术。这种材料通过长丝缠绕工艺制造出既轻便又坚固的复合材料，大幅提高了汽车的可持续性和环保性。亚麻纤维的优点在于其高强度、低密度和自然美感，使其成为汽车内饰中可替代玻璃纤维的理想材料。
此外，亚麻纤维还被应用于户外车辆的制造中，例如德国Greenlander展示的Sherpa探险车，其车身使用了由亚麻纤维增强的复合材料。该车体材料通过长丝缠绕技术制造，结合了生物基树脂和可回收材料，使车辆具有更好的轻量化性能，同时减少了环境足迹。
黄麻、剑麻和亚麻纤维通过长丝缠绕工艺，已经在风力发电、汽车零部件和压力容器等行业中获得了实际应用。虽然黄麻的应用仍在扩展中，但在环保要求和可持续性推动下，这些天然纤维正逐步替代部分传统的合成纤维，在缠绕工艺应用领域成为一股制造新兴势力，具有广泛的工业前景。
摘自
1、Diana P. Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro, 2019, ‘‘Surface modification ofnatural fibers in polymer composite”, Green Composites for AutomotiveApplications, Chapter 1, pp 3-41,https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102177-4.00001-X，https://doi.org/10.1016/B978‑0‑08‑102177‑4.00001‑X。
2、K.G. Satyanarayana et al., Structure and properties of some vegetable fibers, J.Mater. Sci. 21 (1986) 57.
3、Ganesh D. Shrigandhi ⇑, Basavaraj S. Kothavale, Biodegradable composites for filament winding process, Materials Today: Proceedings