天然纤维增强聚合物复合材料综述：可持续应用的新兴材料

摘要：化石燃料的日益枯竭以及对环保材料需求的增长，推动了天然纤维复合材料（NFRPCs）的发展。这类复合材料具备环境友好性、良好的热学特性、轻质、低生产成本和可再生性等优异的机械性能，使其优于玻璃纤维和碳纤维制成的合成复合材料。天然纤维复合材料能够减少温室气体排放，因此在汽车、建筑、国防和基础设施等行业的应用日益广泛。

关键词：天然纤维；复合材料；聚合物基体；增强材料；聚合物复合材料

近年来，全球社会迫切需要应对地球面临的环境威胁，包括各类污染和自然资源枯竭。这些挑战推动了可持续发展运动的兴起，其动力源于旨在提高资源效率的环境法规和政策。尽管关于实现可持续发展的最佳途径和方法仍存在争议，但当前对可持续发展的重视已得到国际社会的广泛认可。

可持续发展的理念强调在决策中兼顾当代与后代的需求。在这一背景下，生态材料或生物基材料成为关键组成部分，旨在减少人类活动对环境的影响。研究人员正积极开发环保材料，以推动可持续发展。生态材料涵盖传统和创新类型，其开发与应用对实现可持续发展和降低环境足迹至关重要。复合材料因其优异的机械性能和轻质特性，正持续受到关注，成为高效且经济实用的材料。它们广泛应用于汽车、航空、船舶、体育用品、生物医学等行业。

一、天然纤维概述

天然纤维增强材料主要来源于植物纤维（草纤维、果实/种子纤维、韧皮纤维、木纤维、叶纤维和茎秆纤维）、动物纤维和矿物纤维。按用途可分为主要纤维（以纤维含量为主要产物的纤维）和次要植物纤维（作为副产品生产）。常见的天然纤维包括韧皮纤维（如黄麻、红麻、大麻、苎麻和亚麻）、草和芦苇纤维（如稻、玉米和小麦）、叶纤维（剑麻、蕉麻、菠萝）、种子纤维（椰子、木棉和棉花）以及果壳纤维（黄麻、红麻和大麻）。韧皮纤维通过浸渍工艺从植物茎秆外层提取，因其高强度和低密度可实现减重，在汽车应用中极具价值。叶纤维通过机械挤压或刮削从植物叶片中获取，其粗糙度和高强度赋予其优于韧皮纤维的冲击性能。果实纤维来自果壳或豆荚，草纤维则来自竹子或象草等高大草本植物。这些纤维常与塑料结合制成纤维-塑料复合材料，广泛应用于多个行业。

在纤维基复合材料的制造中，天然纤维的提取是关键步骤。常用方法包括剥皮、浸渍、吹塑和酶提取。剥皮法适用于亚麻、大麻和黄麻等茎秆纤维植物，通过剥离树皮暴露内部纤维，可根据需求采用化学或物理方式处理。浸渍法则利用微生物分解纤维的果胶基质，部分工艺需水或化学试剂辅助。吹塑法用于提取竹纤维，通过加热和挤出形成连续长丝，可获得高机械强度的优质纤维。酶提取法通过特定酶降解植物非纤维成分，适用于剑麻和红麻等纤维，杂质含量低。提取技术的选择需综合考虑纤维类型、用途和工艺限制。常用天然纤维包括剑麻、木材、红麻、亚麻、棉花和黄麻纤维。

二、天然纤维-聚合物复合材料的应用

2.1 汽车工业

汽车行业对轻量化部件日益增长的需求促使人们探索生物基复合材料作为潜在替代品。为了符合严格的二氧化碳排放法规和车辆部件可回收性要求，交通运输行业必须显著减轻车辆重量。轻质耐用的材料可以成为这些挑战的解决方案。

NFRPCs在汽车工业中有若干实际应用，展示了其多功能性。车辆地板和门板、座椅靠背、行李舱、门内饰和顶饰等都是生物复合材料替代的主要候选部件。例如，福特蒙迪欧在其门板设计中采用了亚麻地板和聚氨酯复合材料，并用剑麻垫和亚麻布增强；奥迪在其门内饰板中采用了聚丙烯/红麻复合材料；欧宝威达车型使用红麻-亚麻混合物制造包装托盘、行李箱衬垫和座椅靠背；同样，大众在其帕萨特、高尔夫、A4和宝来等车型中采用NFRPCs制造行李箱盖板和门板等内部部件。

据相关研究显示，采用亚麻和剑麻纤维制作的门衬板和面板，以及由木纤维制成的座椅靠背，可以在宝马S3、5和7系列车型中找到。一个特别重要的应用案例是宝马公司每年在其S3、5和7系列车型中大量使用超过1万吨的生物复合材料。由亚麻和剑麻纤维、隔音棉和缓冲羊毛制成的部件被用于门衬、座椅靠背和其他内部零件，展示了这些材料的可扩展性。此外，梅赛德斯-奔驰2017款E级创新车型采用了含70%天然纤维的顶框，与传统材料相比实现了50%的减重。

案例研究阐明了NFRPCs在特定应用中的优异机械性能。例如，一项比较黄麻/玻璃纤维混杂复合材料与合成玻璃纤维复合材料在汽车保险杠中应用的研究表明，含30%黄麻和10%玻璃纤维的混杂复合材料比玻璃纤维复合材料具有更好的冲击强度和硬度。同样，红麻/玻璃纤维混杂复合材料已被优化用于乘用车保险杠应用，通过热塑性增韧改性剂等改进增强了其抗冲击性。

2.2 建筑工业

在汽车行业之外，NFRPCs还应用于建筑、房屋等领域，用于制造天花板、地板、办公用品、框架和地板层压板等。NFRPCs在土木工程中最适用于环境敏感的非承重室内构件。

若干实际应用证明了该材料的适应性。例如，由亚麻和大麻复合材料制成的生物基隔热板已用于墙体保温和天花板面板，提供更好的隔热性能并降低能耗。其他需要关键承载能力的应用也有报道，NFRPCs可作为玻璃的合适替代品。根据相关研究，NFRPCs最近已成为非结构建筑项目的焦点，包括地板层压、墙体保温以及门窗框架。由NFRPCs制成的隔热结构板在机械加工性能方面优于木材层压板。

同样，用蕉麻和黄麻纤维增强的聚合物复合材料已应用于墙板和隔断，在住宅和商业建筑中表现出优异的机械和热性能。最近的研究强调了天然纤维在增强水泥方面的潜力。例如，大麻纤维增强混凝土表现出更高的抗拉强度、耐久性和更少的开裂，使其适用于预制板、非结构板和轻质建筑构件。

在洪水多发地区，用椰壳和剑麻纤维增强的复合材料已成功用于防水模块化房屋部件。此外，还开发了用于受灾地区临时住所的生物基层压材料，兼具便携性和耐久性。这些进展强调了NFRPCs作为现代建筑变革性材料的潜力，在可持续性和功能性之间架起桥梁。

2.3 航空航天工业

航空航天工业越来越多地采用天然纤维-聚合物复合材料，以满足对轻质、高性能和环保材料的严格要求。它们的高强度重量比和增强的弹性性能使其特别适用于非结构应用，如内饰板、机舱设施和次要部件。这些优势使其适用于各种航空航天应用，如飞机内饰板，类似于其在汽车和船舶领域的应用。

一个突出的应用是在飞机雷达罩中使用混杂复合材料，其中低介电常数和高射频透明度至关重要。目前，玻璃纤维复合材料因其射频透明度而常用于飞机雷达罩，但它们还必须具备轻质、坚韧和低介电常数的特性。红麻/玻璃纤维混杂复合材料已表现出与传统玻璃纤维复合材料相当的性能，使其成为可行的替代品。同样，黄麻和亚麻纤维复合材料已用于货舱和座椅靠背的内饰板，减轻飞机重量并提高燃油效率。

进一步的创新包括在托盘桌和座椅靠背支撑中使用竹纤维复合材料，其抗冲击性和轻质特性符合严格的安全标准。在货运领域，用天然纤维增强的生物复合材料已被用于制造轻质集装箱，在不影响耐久性的情况下实现显著的减重。一项关于无人机机架的案例研究表明，红麻和碳纤维的混杂复合材料提供了足够的刚性并减轻了重量，延长了飞行续航时间。

此外，可生物降解复合材料在一次性航空航天组件中的潜力正在被积极研究，如航天器中的包装和不可回收部件。这些应用不仅提高了航空航天制造的可持续性，还解决了废弃物管理挑战。随着技术的不断进步，NFRPCs将通过实现更环保、更轻量和更高效的设计，彻底改变航空航天工业。

2.4 国防工业

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