1、熱塑性竹纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展唐杰（湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，湘潭，411101）摘要：本文描述了竹纖維的天然特性與優(yōu)點(diǎn)，分析了熱塑性竹纖維的理化性能，介紹了熱塑性竹纖維在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，對(duì)竹纖維和熱塑性塑料在制備復(fù)合材料過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討，對(duì)熱塑性竹纖維發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：竹纖維；熱塑性；復(fù)合材料Abstract：The paper described the natural characteristics and benefits of bamboo fiber, analysed the physical and chemical pro

2、perty 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 thermoplast

3、ic bamboo fiber and prospect their future development trend.Key words:bamboo fiber;thermoplastic;composite materials前言利用竹纖維為增強(qiáng)材料，熱塑性塑料為基體進(jìn)行復(fù)合，可制備成熱塑性竹纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料不僅具有竹子、熱塑性塑料的特性，而且經(jīng)過(guò)復(fù)合，克服了竹子材料易蟲(chóng)蛀、易霉變，熱塑性塑料成本高強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，使得制備的熱塑性竹纖維成本低、收縮和扭曲小、機(jī)械性能好,無(wú)甲醛釋放，防蟲(chóng)蛀、防水、抗霉變，成為良好的工程材料。固而打破了傳統(tǒng)竹類材料應(yīng)用局限性，實(shí)現(xiàn)了材料的多功能化，大大提

4、高了其附加值。對(duì)促進(jìn)將竹資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)具有很大意義1,2。竹纖維復(fù)合材料的研究與發(fā)展可以分為早期階段，消極階段和再起步階段。上世紀(jì)八十年代以前視為早期階段，在這一時(shí)期主要是竹子和竹膠合板的應(yīng)用，基本上是將竹資源直接應(yīng)用，上世紀(jì)六十年代，曾經(jīng)有人提出用竹纖維作為增強(qiáng)材料設(shè)計(jì)復(fù)合材料，并開(kāi)展了竹纖維增強(qiáng)水泥等作為建筑材料方面的研究工作，但由于兩者界面粘結(jié)力太弱和材料耐久性不強(qiáng)等問(wèn)題遲遲未能解決，影響了材料的力學(xué)性能，限制了它的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，R.Ausin3等開(kāi)始從生物材料的角度研究竹子，還有人對(duì)竹纖維及其復(fù)合材料的各種性能進(jìn)行了研究。20世紀(jì)90年代前后開(kāi)始有人嘗試采用化學(xué)方法從

5、竹子中提取竹纖維，但是沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展，此后進(jìn)入了研究開(kāi)發(fā)竹纖維復(fù)合材料的消極階段，主要原因是竹纖維的制備和研究沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，同時(shí)，竹纖維與復(fù)合材料基體的作用機(jī)理也較為復(fù)雜，這方面的研究也較缺乏。近年來(lái)，竹纖維的制備出現(xiàn)了新的進(jìn)展，日本的Marumasa公司對(duì)竹纖維的制備展幵了研究工作。而竹纖維在紡織業(yè)也引起了廣泛的關(guān)注。2001年，我國(guó)第一次采用物理機(jī)械法從竹子中直接分離出了竹纖維。后來(lái)又有人將竹纖維開(kāi)發(fā)成纖維紡織紗?，F(xiàn)在，我國(guó)的竹纖維幵發(fā)已經(jīng)走在了世界的前列。由于竹纖維的制備取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，再加上近幾年來(lái)生物纖維復(fù)合材料的研究逐漸升溫，使竹纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)入了再起步階段。1

6、 熱塑性竹纖維復(fù)合材料理化性能1.1 竹纖維1.1.1 竹纖維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)竹纖維種類很多，但是主要是由纖維素和半纖維素構(gòu)成。竹纖維中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大是纖維素，約為70%。纖維素是由D-葡萄糖以-l，4糖苷鍵結(jié)合的大分子糖，化學(xué)式可寫作(C12H20O10)n。從圖1.1纖維素的結(jié)構(gòu)式上可以看出，每個(gè)纖維素單元都存在6個(gè)羥基。具有很強(qiáng)的極性，與非極性的基體進(jìn)行有效界面結(jié)合必須加入界面改性劑弱化纖維的極性。1.1.2 竹纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)竹子是各向異性材料，竹子不同部位的細(xì)胞形狀、大小、竹纖維含量、纖維管密度各不相同，一般從內(nèi)層到外層、基部到梢部纖維含量增大，各類導(dǎo)管孔徑、細(xì)胞變小。纖維的形態(tài)是影響纖維質(zhì)

7、量和強(qiáng)度的重要因素，纖維長(zhǎng)寬比大、長(zhǎng)度長(zhǎng)的竹纖維容易壓潰，纖維的交織性能較好，具有較大的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率4。竹纖維的表面比較粗糙，縱向表面有明顯竹節(jié)，有的薄壁層有裂痕；竹纖維截面呈現(xiàn)出不規(guī)則橢圓形狀，環(huán)狀的中空結(jié)構(gòu)，具有多孔材料的典型特征。 1.2 熱塑性竹纖維復(fù)合材料1.2.1 熱塑性竹纖維復(fù)合材料的特性熱塑性竹纖維復(fù)合材料的性能比單獨(dú)的竹材或塑料產(chǎn)品更為優(yōu)異，不僅有像竹材那樣的外觀及加工性，而且克服了其易變形、易被蟲(chóng)駐的缺點(diǎn)，又保留了熱塑性樹(shù)脂容易加工的性能，比較容易獲得各種型材和異型材。由于兼?zhèn)淞藘煞N材料的特點(diǎn)，故竹塑復(fù)合材料制品具有以下優(yōu)點(diǎn)5:(1)耐用，耐磨，使用壽命長(zhǎng)，竹纖維經(jīng)過(guò)表面處

8、理，同時(shí)被高分子材料包覆，霉菌缺少滋生的環(huán)境，故不易生菌，不怕蟲(chóng)蛀，不易腐燭；(2)具有類似竹材的紋理及色澤，又比塑料硬度高。具有十分優(yōu)良的物理性能，尺寸穩(wěn)定性良好，不會(huì)產(chǎn)生裂縫與翅曲等損傷，沒(méi)有竹材的結(jié)癥和斜紋；吸濕性以及吸濕膨脹率都較低，不易吸濕變形，耐候性較強(qiáng)；耐老化，抗螺變性能較強(qiáng)；電絕緣性好；(3)具有優(yōu)良的化學(xué)性能，可耐酸堿、耐鹽水等化學(xué)品；(4)具有較好的機(jī)械性能，有類似于竹材的可二次加工性，可將其切割、刨銑、粘接，可用釘子或螺栓進(jìn)行連接或固定，產(chǎn)品的形狀與規(guī)格可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行調(diào)整，較靈活性，尺寸精確性良好；(5)保留了熱塑性樹(shù)脂容易加工的性能，容易成型，可像熱塑性塑料一樣擠

9、出、注塑、模壓，用普通的塑料加工設(shè)備或者將其稍加改造后便可進(jìn)行成型加工。在加工設(shè)備上新投入的資金少，有利于推廣應(yīng)用；(6)可用于發(fā)泡成型，不僅節(jié)省原材料，簡(jiǎn)化后加工程序，而且發(fā)炮制品隔音、隔熱性能也較好；7)無(wú)毒無(wú)異味，在建筑裝修施工中以及建成后長(zhǎng)期使用過(guò)程中均不釋放甲酸等有害氣體，環(huán)境友好；(8)使用后可重復(fù)使用以及回收再利用，還可以充分利用回收到的加工或使用過(guò)程中被廢棄的竹料及塑料，極大地提高了天然竹材資源和人造塑料的利用率，并能較好地解決廢棄竹料與塑料所造成的污染及垃圾處理問(wèn)題；(9)資源豐富，成本低廉，對(duì)維護(hù)工作的要求較低，維修所需的費(fèi)用低。1.2.2 熱塑性竹纖維的應(yīng)用由于竹塑復(fù)合材

10、料有著上述種種優(yōu)點(diǎn)，故而應(yīng)用范圍十分廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域6涉及到汽車工業(yè)及運(yùn)輸業(yè)，建筑行業(yè)，包裝行業(yè)，家具及裝修業(yè)、辦公室設(shè)備及體育設(shè)備等多個(gè)方面。近幾年，熱塑性竹纖維復(fù)合材料制品已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到各行各業(yè)中，熱塑性竹纖維復(fù)合材料成型的制品主要應(yīng)用范圍包括以下幾個(gè)方面:（1)建筑行業(yè)熱塑性竹纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)主要用做門窗、門框、地板、天花板、吊頂、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。在建材用品方面發(fā)展最快的熱塑性竹纖維復(fù)合材料是回廊板，其中以歐美市場(chǎng)為主。雖然熱塑性竹纖維回廊板比普通的的木材價(jià)格稍貴，但它不需要花費(fèi)太多的財(cái)力與精力維護(hù)，而且不容易幵裂，環(huán)境親和性良好；熱

11、塑性竹纖維復(fù)合材料與未加填料的塑料板相比硬度大，熱膨脹性低，故而越來(lái)越受到用戶的青睞。熱塑性竹纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)的另一個(gè)重要領(lǐng)域是門窗，無(wú)論在防腐、保溫隔熱還是裝飾等方面，熱塑性竹纖維異型材都比傳統(tǒng)建材更為優(yōu)異。(2)汽車行業(yè)熱塑性竹纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)中做汽車內(nèi)裝飾件較多，例如門內(nèi)裝飾板、遮光板、底板、儀表板、座椅靠背、頂棚、后擱物箱、高架箱等。1975年，意大利人在LINCIA車和FIAT車上首次采用了這種材料，此后熱塑性竹纖維復(fù)合材料開(kāi)始逐漸應(yīng)用到轎車的內(nèi)裝飾件基材上。如今，國(guó)外許多名牌轎車，如德國(guó)的“奧迪”、“奔馳”，美國(guó)的“福特”，瑞典的“沃爾沃”等，均在不同程度上使用了熱塑性

12、竹纖維復(fù)合材料制作其內(nèi)裝飾基材。上世紀(jì)九十年代，隨著國(guó)外汽車公司進(jìn)軍我國(guó)汽車工業(yè)，這種材料也被引入到我國(guó)的汽車制造業(yè)?，F(xiàn)如今，我國(guó)已經(jīng)掌握該技術(shù)能夠自主研發(fā)該材料，不再依賴進(jìn)口。從近幾年的轎車零部件產(chǎn)品走向來(lái)看，熱塑性竹纖維復(fù)合材料制造的轎車內(nèi)裝飾件已經(jīng)逐漸引領(lǐng)潮流，成為此類產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)7。(3)包裝行業(yè)在包裝行業(yè)中，熱塑性竹纖維復(fù)合材料的主要應(yīng)用是做物流托盤、包裝箱以及集裝器具等，尤以熱塑性竹纖維托盤在國(guó)際上應(yīng)用最廣，有多家公司已經(jīng)掌握了廢舊木料與廢塑料復(fù)合生產(chǎn)托盤的整套成熟技術(shù)。國(guó)內(nèi)已有公司成功地研制出組合型熱塑性竹纖維托盤，并且通過(guò)了我國(guó)包裝協(xié)會(huì)組織的技術(shù)鑒定。(4)園林行業(yè)因其具

13、有耐潮、防腐、防蟲(chóng)蛀的特點(diǎn)，木塑復(fù)合材料在園林庭院方面主要用來(lái)制造露天桌椅，涼亭，柵欄，樓梯扶手，露天地板，裝飾邊框，花箱以及垃圾桶等。(5)其他方面除了在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用外，在各種新興產(chǎn)業(yè)中木塑復(fù)合材料也有廣泛的應(yīng)用。如倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)中使用的貨架鋪板、鋪梁、倉(cāng)儲(chǔ)架，高速公路的路牌，鐵路軌枕，辦公用品，海洋碼頭的工程組件等。1.2.3 熱塑性竹纖維存在的問(wèn)題竹纖維和塑料的相容性差，需要對(duì)竹纖維表面進(jìn)行處理。竹纖維材料表面存在大量極性官能團(tuán)，在竹纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合中，親水的竹纖維和憎水的塑料基體問(wèn)存在較高界面能差，兩者很難在界面上融合。也即竹纖維極性強(qiáng)，親水性強(qiáng)，熱塑性塑料往往是非極性的，疏水性較強(qiáng)，

14、因此塑料和竹纖維之間相容性較差，界面粘結(jié)較弱，致使竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械性能差。另外，竹纖維材料表面間的氫鍵也會(huì)使竹纖維在熱塑性復(fù)合材料中不能均勻分散，從而影響復(fù)合材料制品性能。同時(shí)，成型工藝對(duì)復(fù)合材料的性能和制備成本也有很大影響。2 小結(jié)與展望在竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備中，竹纖維的來(lái)源不同，多為長(zhǎng)短不一的無(wú)規(guī)絮團(tuán)，其氈體制備采用的是手工梳理、多層鋪疊的方法。就流程長(zhǎng)短和成本考慮，制成竹預(yù)混氈是值得嘗試的方案。界面是決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一，可以通過(guò)化學(xué)處理的方法對(duì)竹纖維和基體塑料進(jìn)行處理，以改變其表面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)極性，提高表面潤(rùn)濕性，從而提高復(fù)合性能。同時(shí)深化竹纖維組成、物理化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)

15、定性方面的研究，在把握竹纖維特性基礎(chǔ)上利用物理和化學(xué)方法對(duì)竹纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行改性，可能會(huì)取得較好的成果。 參考文獻(xiàn)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, 2007,41(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, 2006, 37(l): 80-913 R Austin, K Ueda. Bamboo M, Weather Hill Publishing Co. 19724 何強(qiáng)，李大剛，代紹君，等. 竹塑復(fù)合材料的制備及主要材性研究 J. 貴州化工,