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热塑性竹纤维复合材料的研究进展
唐杰
( 湖南工程学院化学化工学院, 湘潭, 411101)

摘要: 本文描述了竹纤维的天然特性与优点, 分析了热塑性竹纤维的理化性能, 介绍了热塑性竹纤维在生产生活中的应用, 对竹纤维和热塑性塑料在制备复合材料过程中存在的问题进行了简要探讨, 对热塑性竹纤维发展现状进行了综述, 并对未来发展趋势进行了展望。
关键词: 竹纤维; 热塑性; 复合材料

Abstract: The paper described the natural characteristics and benefits of bamboo fiber, analysed the physical and chemical property of the thermoplastic bamboo fiber,introduced the application of the thermoplastic bamboo fiber in production and living, briefly discussed the process of composite materials made from bamboo fiber and thermoplastic plastics,summarized the current situation of the development of the thermoplastic bamboo fiber and prospect their future development trend.
Key words:bamboo fiber;thermoplastic;composite materials

前言
利用竹纤维为增强材料, 热塑性塑料为基体进行复合, 可制备成热塑性竹纤维复合材料。复合材料不但具有竹子、 热塑性塑料的特性, 而且经过复合, 克服了竹子材料易虫蛀、 易霉变, 热塑性塑料成本高强度低等缺点, 使得制备的热塑性竹纤维成本低、 收缩和扭曲小、 机械性能好,无甲醛释放, 防虫蛀、 防水、 抗霉变, 成为良好的工程材料。固而打破了传统竹类材料应用局限性, 实现了材料的多功能化, 大大提高了其附加值。对促进将竹资源优势转化为经济优势具有很大意义[1,2]。
竹纤维复合材料的研究与发展能够分为早期阶段, 消极阶段和再起步阶段。上世纪八十年代以前视为早期阶段, 在这一时期主要是竹子和竹胶合板的应用, 基本上是将竹资源直接应用, 上世纪六十年代, 曾经有人提出用竹纤维作为增强材料设计复合材料, 并开展了竹纤维增强水泥等作为建筑材料方面的研究工作, 但由于两者界面粘结力太弱和材料耐久性不强等问题迟迟未能解决, 影响了材料的力学性能, 限制了它的应用。20世纪90年代, R.Ausin[3]等开始从生物材料的角度研究竹子, 还有人对竹纤维及其复合材料的各种性能进行了研究。20世纪90年代前后开始有人尝试采用化学方法从竹子中提取竹纤维, 可是没有取得突破性的进展, 此后进入了研究开发竹纤维复合材料的消极阶段, 主要原因是竹纤维的制备和研究没有取得实质性的进展, 同时, 竹纤维与复合材料基体的作用机理也较为复杂, 这方面的研究也较缺乏。近年来, 竹纤维的制备出现了新的进展, 日本的Marumasa公司对竹纤维的制备展幵了研究工作。而竹纤维在纺织业也引起了广泛的关注。 , 中国第一次采用物理机械法从竹子中直接分离出了竹纤维。后来又有人将竹纤维开发成纤维纺织纱。现在, 中国的竹纤维幵发已经走在了世界的前列。由于竹纤维的制备取得了长足进展, 再加上近几年来生物纤维复合材料的研究逐渐升温, 使竹纤维复合材料的研究进入了再起步阶段。

1 热塑性竹纤维复合材料理化性能
1.1 竹纤维
1.1.1 竹纤维结构特点
竹纤维种类很多, 可是主要是由纤维素和半纤维素构成。竹纤维中占的质量分数最大是纤维素, 约为70%。纤维素是由D-葡萄糖以β-l, 4糖苷键结合的大分子糖, 化学式可写作(C12H20O10)n。从图1.1纤维素的结构式上能够看出, 每个纤维素单元都存在6个羟基。具有很强的极性, 与非极性的基体进行有效界面结合必须加入界面改性剂弱化纤维的极性。
1.1.2 竹纤维的形态结构
竹子是各向异性材料, 竹子不同部位的细胞形状、 大小、 竹纤维含量、 纤维管密度各不相同, 一般从内层到外层、 基部到梢部纤维含量增大, 各类导管孔径、 细胞变小。纤维的形态是影响纤维质量和强度的重要因素, 纤维长宽比大、 长度长的竹纤维容易压溃, 纤维的交织性能较好, 具有较大的强度及伸长率[4]。竹纤维的表面比较粗糙, 纵向表面有明显竹节, 有的薄壁层有裂痕; 竹纤维截面呈现出不规则椭圆形状, 环状的中空结构, 具有多孔材料的典型特征。
1.2 热塑性竹纤维复合材料
1.2.1 热塑性竹纤维复合材料的特性
热塑性竹纤维复合材料的性能比单独的竹材或塑料产品更为优异, 不但有像竹材那样的外观及加工性, 而且克服了其易变形、 易被虫驻的缺点, 又保留了热塑性树脂容易加工的性能, 比较容易获得各种型材和异型材。由于兼备了两种材料的特点, 故竹塑复合材料制品具有以下优点[5]:
(1)耐用, 耐磨, 使用寿命长, 竹纤维经过表面处理, 同时被高分子材料包覆, 霉菌缺少滋生的环境, 故不易生菌, 不怕虫蛀, 不易腐烛;
(2)具有类似竹材的纹理及色泽, 又比塑料硬度高。具有十分优良的物理性能, 尺寸稳定性良好, 不会产生裂缝与翅曲等损伤, 没有竹材的结症和斜纹; 吸湿性以及吸湿膨胀率都较低, 不易吸湿变形, 耐候性较强; 耐老化, 抗螺变性能较强; 电绝缘性好;
(3)具有优良的化学性能, 可耐酸碱、 耐盐水等化学品;
(4)具有较好的机械性能, 有类似于竹材的可二次加工性, 可将其切割、 刨铣、 粘接, 可用钉子或螺栓进行连接或固定, 产品的形状与规格能够根据用户要求进行调整, 较灵活性, 尺寸精确性良好;
(5)保留了热塑性树脂容易加工的性能, 容易成型, 可像热塑性塑料一样挤出、 注塑、 模压, 用普通的塑料加工设备或者将其稍加改造后便可进行成型加工。在加工设备上新投入的资金少, 有利于推广应用;
(6)可用于发泡成型, 不但节省原材料, 简化后加工程序, 而且发炮制品隔音、 隔热性能也较好;
7)无毒无异味, 在建筑装修施工中以及建成后长期使用过程中均不释放甲酸等有害气体, 环境友好;
(8)使用后可重复使用以及回收再利用, 还能够充分利用回收到的加工或使用过程中被废弃的竹料及塑料, 极大地提高了天然竹材资源和人造塑料的利用率, 并能较好地解决废弃竹料与塑料所造成的污染及垃圾处理问题;
(9)资源丰富, 成本低廉, 对维护工作的要求较低, 维修所需的费用低。
1.2.2 热塑性竹纤维的应用
由于竹塑复合材料有着上述种种优点, 故而应用范围十分广泛, 应用领域[6]涉及到汽车工业及运输业, 建筑行业, 包装行业, 家具及装修业、 办公室设备及体育设备等多个方面。近几年, 热塑性竹纤维复合材料制品已经越来越多的应用到各行各业中, 热塑性竹纤维复合材料成型的制品主要应用范围包括以下几个方面:
( 1)建筑行业
热塑性竹纤维复合材料在建筑行业主要用做门窗、 门框、 地板、 天花板、 吊顶、 壁板、 噪音隔板、 防潮隔板、 回廊板以及建筑模板等建筑建材用品。
在建材用品方面发展最快的热塑性竹纤维复合材料是回廊板, 其中以欧美市场为主。虽然热塑性竹纤维回廊板比普通的的木材价格稍贵, 但它不需要花费太多的财力与精力维护, 而且不容易幵裂, 环境亲和性良好; 热塑性竹纤维复合材料与未加填料的塑料板相比硬度大, 热膨胀性低, 故而越来越受到用户的青睐。
热塑性竹纤维复合材料在建筑行业的另一个重要领域是门窗, 无论在防腐、 保温隔热还是装饰等方面, 热塑性竹纤维异型材都比传统建材更为优异。
(2)汽车行业
热塑性竹纤维复合材料在汽车行业中做汽车内装饰件较多, 例如门内装饰板、 遮光板、 底板、 仪表板、 座椅靠背、 顶棚、 后搁物箱、 高架箱等。1975年, 意大利人在LINCIA车和FIAT车上首次采用了这种材料, 此后热塑性竹纤维复合材料开始逐渐应用到轿车的内装饰件基材上。如今, 国外许多名牌轿车, 如德国的”奥迪”、 ”奔驰”, 美国的”福特”, 瑞典的”沃尔沃”等, 均在不同程度上使用了热塑性竹纤维复合材料制作其内装饰基材。上世纪九十年代, 随着国外汽车公司进军中国汽车工业, 这种材料也被引入到中国的汽车制造业。现如今, 中国已经掌握该技术能够自主研发该材料, 不再依赖进口。从近几年的轿车零部件产品走向来看, 热塑性竹纤维复合材料制造的轿车内装饰件已经逐渐引领潮流, 成为此类产品发展的必然趋势[7]。
(3)包装行业
在包装行业中, 热塑性竹纤维复合材料的主要应用是做物流托盘、 包装箱以及集装器具等, 尤以热塑性竹纤维托盘在国际上应用最广, 有多家公司已经掌握了废旧木料与废塑料复合生产托盘的整套成熟技术。国内已有公司成功地研制出组合型热塑性竹纤维托盘, 而且经过了中国包装协会组织的技术鉴定。
(4)园林行业
因其具有耐潮、 防腐、 防虫蛀的特点, 木塑复合材料在园林庭院方面主要用来制造露天桌椅, 凉亭, 栅栏, 楼梯扶手, 露天地板, 装饰边框, 花箱以及垃圾桶等。
(5)其它方面
除了在传统产业方面的应用外, 在各种新兴产业中木塑复合材料也有广泛的应用。如仓储行业中使用的货架铺板、 铺梁、 仓储架, 高速公路的路牌, 铁路轨枕, 办公用品, 海洋码头的工程组件等。
1.2.3 热塑性竹纤维存在的问题
竹纤维和塑料的相容性差, 需要对竹纤维表面进行处理。竹纤维材料表面存在大量极性官能团, 在竹纤维增强塑料复合中, 亲水的竹纤维和憎水的塑料基体问存在较高界面能差, 两者很难在界面上融合。也即竹纤维极性强, 亲水性强, 热塑性塑料往往是非极性的, 疏水性较强, 因此塑料和竹纤维之间相容性较差, 界面粘结较弱, 致使竹纤维增强复合材料机械性能差。另外, 竹纤维材料表面间的氢键也会使竹纤维在热塑性复合材料中不能均匀分散, 从而影响复合材料制品性能。同时, 成型工艺对复合材料的性能和制备成本也有很大影响。

2 小结与展望

在竹纤维增强复合材料的制备中, 竹纤维的来源不同, 多为长短不一的无规絮团, 其毡体制备采用的是手工梳理、 多层铺叠的方法。就流程长短和成本考虑, 制成竹预混毡是值得尝试的方案。界面是决定复合材料性能的关键因素之一, 能够经过化学处理的方法对竹纤维和基体塑料进行处理, 以改变其表面结构, 增强极性, 提高表面润湿性, 从而提高复合性能。同时深化竹纤维组成、 物理化学性质和稳定性方面的研究, 在把握竹纤维特性基础上利用物理和化学方法对竹纤维增强热塑性树脂进行改性, 可能会取得较好的成果。

参考文献
[1] Takahashi A,Yamamoto N, Ishiyama Y, etal. Dynamic tensile Properties of bamboo fibers Prepared by steam-explosion method [J]. Memoirs of Miyakonojo Technical College, ,41(l): 25-32.
[2] Lee S H,Wang S Q. Biodegradable polymers bamboo fiber biocomPosite with bio-based coupling agent [J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, , 37(l): 80-91
[3] R Austin, K Ueda. Bamboo [M], Weather Hill Publishing Co. 1972
[4] 何强, 李大刚, 代绍君, 等. 竹塑复合材料的制备及主要材性研究 [J]. 贵州化工, , 34(6):11-13
[5] 闫微丽. 竹塑复合材料制备及其性能研究 [D]. 南京林业大学.
[6] 李大纲, 周敏, 许小君. 塑木复合材的产品性能及应用前景 [J]. 机电信息, , 5(65):49
[7] Alireza A. Bamboo-plastic composites as promising green-composites for automotive
Industries [J]. Bioresource technology , , 99: 4661-4667