張 毅

（竹纖維產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，福建 福州350002）

竹產(chǎn)業(yè)是目前綠色經(jīng)濟發(fā)展的重點關注產(chǎn)業(yè)，有著潛力巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。竹產(chǎn)業(yè)也是一個可持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)業(yè)，對保護環(huán)境、促進資源和平衡生態(tài)有著重要意義。竹纖維產(chǎn)業(yè)化是竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心，對竹產(chǎn)業(yè)轉型升級起到引領作用。

竹纖維指的是天然竹纖維（也稱竹原纖維），是直接通過機械物理法從竹材分離制取的天然纖維，也是一種新型的植物纖維，不同于竹漿纖維、竹炭纖維等化學粘膠再生纖維素纖維，是繼棉、麻、絲、毛之后的第5大天然纖維。竹纖維采用三級分絲和二次梳理，所得竹纖維密度均較低，因而纖維分離度最高［1］，脫膠處理后纖維直徑僅為處理前的近1/5，纖維長徑比為處理前的4倍，拉伸強度提高了近27倍［2］。竹纖維具有優(yōu)異的產(chǎn)品功能，竹纖維及其制備的復合材料具有如下性能特點：強度高、韌性好、質(zhì)量輕；抗菌、抗紫外線性能突出；原料來源廣、可再生；生產(chǎn)操作安全、低污染、低能耗；應用領域廣；用后可自然降解；綠色、環(huán)保等。

竹纖維作為一種性能優(yōu)異的基礎材料，可廣泛應用于紡織、非織造、建筑材料、汽車材料等復合材料生產(chǎn)領域。當前，中國率先在國內(nèi)大力推進竹纖維產(chǎn)業(yè)化，致力于解決人類日益增長的天然纖維需求和可持續(xù)發(fā)展問題，將中國竹資源轉化為國家經(jīng)濟競爭力，促進更多制造企業(yè)加快產(chǎn)業(yè)轉型和產(chǎn)品創(chuàng)新，提升中國在材料領域的國際競爭力。

1 天然纖維在汽車復合材料上的產(chǎn)品現(xiàn)狀

汽車內(nèi)飾是指汽車內(nèi)部所用到的汽車產(chǎn)品，涵蓋到汽車車身內(nèi)的各個部位，如轉向盤防護套、腳踏地墊、防滑墊、座椅墊、頂棚等都是內(nèi)飾產(chǎn)品。國外很早就將天然纖維作為汽車內(nèi)飾材料研究重點，由于化學纖維特別是玻璃纖維燃燒時會釋放大量有毒氣體，被稱為火災“第一殺手”。因此，天然纖維替代化學纖維是汽車內(nèi)飾材料市場發(fā)展的必然趨勢。采用天然纖維開發(fā)的汽車內(nèi)飾產(chǎn)品，不僅安全性大幅提高，而且具有負離子發(fā)射、抗紫外線、環(huán)保、吸音性能好的特點［3］。

國外對天然纖維復合材料及其制品的研究開發(fā)工作開展較早，自20世紀60年代起，國外就將亞麻、劍麻、洋麻、椰殼纖維和大麻等天然纖維用于汽車內(nèi)飾產(chǎn)品中。其中，亞洲天然復合材料研發(fā)以日本、印度等國為主。黃麻原產(chǎn)于印度，種植范圍廣且產(chǎn)量巨大，使之在黃麻纖維復合材料的研究一直處于世界前列。重點研發(fā)領域是將亞麻、劍麻、黃麻等天然纖維作為增強材料，或者將橡膠與黃麻構成新型復合材。隨著科技的不斷進步，相關產(chǎn)品已經(jīng)逐步推向市場，并且廣泛運用于汽車內(nèi)飾中。

歐洲國家對于天然纖維在汽車內(nèi)飾方面的研究力度頗大，尤以德國、丹麥、意大利、英國為甚。BASF公司是德國一家世界知名的化工公司，其采用的以天然纖維諸如黃麻、亞麻等作為增強材料，與聚丙烯等熱塑性材料復合，制備出麻纖維增強熱塑性復合材料。該材料具有質(zhì)輕、環(huán)保、價廉等特點，各項性能突出。其重量范圍在500 g·m－2～1 800 g·m－2之間，厚度在2～3 mm之間，比玻璃纖維增強熱塑性材料輕17%。Bayer與其子公司通力合作，研發(fā)出了一種利用亞麻纖維增強聚氨基甲酸酯生產(chǎn)汽車裝飾物的技術，該技術采用樹脂傳遞模塑工藝，利用天然纖維墊生產(chǎn)出壁厚僅1.5～2.0 mm的部件，產(chǎn)品比傳統(tǒng)注塑材料約輕45%［4］。纖維含量越高，材料的降解速率越快。汽車行業(yè)對于麻類纖維增強復合材料的應用在德國處于領先地位，如奔馳、寶馬等公司。

Kafus環(huán)境工業(yè)公司開發(fā)的洋麻增強材料，也被用于汽車工業(yè)，洋麻增強材可代替聚合物模板復合材料，如玻璃纖維增強塑料。該公司在歐洲汽車工業(yè)的多年開發(fā)研究證明，洋麻纖維可與聚合物如聚丙烯結合用來生產(chǎn)汽車裝飾部件，如車門面板、座椅靠板、頂棚、行李盤。Kafus公司用洋麻纖維生產(chǎn)的汽車內(nèi)飾材料已被用于Volvo、Saab、Renault和Ford等知名汽車公司。Kafus公司已投資1億美元生產(chǎn)洋麻非織造氈、板產(chǎn)品，這些產(chǎn)品首批將應用于北美汽車工業(yè)公司［5］。

國內(nèi)研究天然纖維復合材料起步較晚，但一些汽車廠商也意識到天然纖維復合材料對于汽車行業(yè)的巨大沖擊，已著手生產(chǎn)和使用天然纖維增強復合材料的汽車內(nèi)飾件。

2 竹纖維在汽車復合材料上的產(chǎn)品與性能

2.1 汽車用竹纖維增強熱塑性復合材料

中國有關院校和企業(yè)合作進行了相關研究，采用非織造工藝和熱壓工藝制備了汽車用竹纖維增強聚丙烯復合材料，分別研究了竹纖維含量、制作結構和改性處理對復合材料力學性能、吸濕性能的影響，并通過層間混雜結構和竹纖維表面性能對復合材料性能作用機理的研究，探索了2種優(yōu)化方式對復合材料濕熱穩(wěn)定性的影響。

復合材料力學性能研究表明，當竹纖維/聚丙烯質(zhì)量比為60/40時，復合材料具有最優(yōu)力學性能，其彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為51.64 MPa、3.97 GPa、38.72 MPa、4.36 GPa，混雜結構對復合材料的力學性能均有不同程度提高。其中，“50/50+70/30”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為59.50 MPa、4.86 GPa、40.60 MPa、5.18 GPa，較普通結構，各項力學性能指標分別提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%；“50/50+80/20+50/50”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為54.29 MPa、4.01 GPa、41.83 MPa、4.86 GPa，較普通結構，各項力學性能指標分別提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。

采用堿處理和偶聯(lián)劑處理竹纖維均能有效提高竹纖維/聚丙烯復合材料的力學性能，當NaOH質(zhì)量分數(shù)為5%時，竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為67.04 MPa、4.18 GPa、51.53 MPa、5.41 GPa，較處理前，各項性能分別提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%；當偶聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)為3%時，竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為73.99 MPa、6.07 GPa、56.57 MPa、6.17 GPa，相比處理前，復合材料的各項性能分別提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%［6］。

竹纖維/聚丙烯復合材料的吸濕規(guī)律符合Fick吸濕定律，經(jīng)過堿處理或者堿－偶聯(lián)劑處理后，竹纖維/聚丙烯復合材料耐濕熱老化性能有較明顯的提升效果，綜合考慮濕熱老化后復合材料的性能，堿－偶聯(lián)劑處理后復合材料耐濕熱老化性能最優(yōu)，當濕熱老化60 d后，復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為60.55 MPa、3.91 GPa、33.10 MPa、3.58 GPa，較未處理分別提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纖維的質(zhì)量分數(shù)為40%時，復合材料的力學性能較佳［7］。

目前以竹纖維為增強體，以聚丙烯等熱塑性樹脂為基體，采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車門板、衣帽架、頂棚、后備艙側板等汽車用內(nèi)飾材料，產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)成熟。

2.2 汽車用竹纖維增強熱固性復合材料

國內(nèi)產(chǎn)學研合作開展了另一項研究，采用縫合－模壓工藝制備了單向連續(xù)竹纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料，首先研究了竹纖維含量對復合材料縱向靜態(tài)力學性能及動態(tài)力學性能的影響。隨著竹纖維含量的增加，復合材料靜態(tài)力學性能呈先增加后減小趨勢，當竹纖維含量為50 wt%時，復合材料拉伸、彎曲性能最優(yōu)，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別達到285.52 MPa、16.06 GPa、359.80 MPa、27.32 GPa；復合材料的存儲模量隨竹纖維含量增加呈先增加后減小趨勢，當竹纖維含量為50wt%時，復合材料存儲模量最大，且隨著竹纖維含量的增加，復合材料玻璃化轉變溫度向低溫方向移動，損耗峰變寬。

利用堿、堿－偶聯(lián)劑聯(lián)合處理的方式，對竹纖維進行表面改性，經(jīng)過不同表面的處理之后，將改善單向連續(xù)性竹纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料的各項性能。當采用5%堿－3%偶聯(lián)劑聯(lián)合處理時，復合材料綜合性能最優(yōu)，其拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、剪切強度較未處理的分別提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%；復合材料存儲模量（33℃）較未處理的提高了63.80%，損耗因子有所降低；復合材料24 h、720 h吸水率較未處理的分別減小了55.35%、27.32%。

同時，制備了單向連續(xù)竹纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，復合材料的拉伸強度達到了270.30 MPa、拉伸模量達到了16.23 GPa、彎曲強度達到了276.51 MPa、彎曲模量達到了21.99 GPa、剪切強度達到了24.08 MPa［6－7］。

制備的單向連續(xù)竹纖維增強熱固性復合材料力學性能優(yōu)良，有潛力取代玻璃纖維增強樹脂復合材料在汽車材料（汽車外殼、座椅支撐架等汽車承力結構）、風電葉片材料、公路防護欄材料、船舶材料等領域的應用，以竹、麻等天然纖維為增強體相對傳統(tǒng)內(nèi)飾有著顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢［8－9］。

3 竹纖維在汽車復合材料上的發(fā)展前景

自復合材料行業(yè)誕生以來，產(chǎn)業(yè)鏈上下游不斷健全，行業(yè)迅速發(fā)展壯大，特別值得關注的是，近幾年竹纖維產(chǎn)業(yè)化隨著各項工藝的不斷深入與完善，以竹纖維為增強材料的新材料在復合材料領域越發(fā)受到行業(yè)的追捧及期待，竹纖維應用越來越多出現(xiàn)在人們的視野里。

中國素來就有竹子文化，也是世界上竹資源最豐富、應用最廣的國家，種植面積達500多萬公頃，世界上1/3的竹類資源在中國，名副其實的“竹子王國”。竹子生長極具特殊性，1－3 a便可投入使用。因此，對竹纖維各項應用的研發(fā)與推廣頗具現(xiàn)實意義，利用竹纖維及其增強復合材料替換當下的各種化學纖維復合材料也成為了重要課題。

汽車行業(yè)的發(fā)展必然是匹配人們需求的提升，汽車技術的發(fā)展是推動整個行業(yè)發(fā)展的關鍵因素，當今汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢不僅是追求豪華與舒適，汽車產(chǎn)業(yè)輕量化也成為了一大發(fā)展趨勢，這一趨勢對新材料在汽車行業(yè)的應用有著特別巨大的推動作用。汽車輕量化本質(zhì)是保障汽車在各項性能不受損或者略有提升的狀況下，減輕車身重量，從而降低油耗、減少噪音等污染。汽車輕量化是推動國家節(jié)能減排規(guī)劃的重要舉措，也是輕量化材料產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展契機。竹纖維增強復合材料作為輕量化材料產(chǎn)業(yè)的重要成員，已經(jīng)對汽車行業(yè)產(chǎn)生重要影響，其具備的輕質(zhì)、高剛度、高強度等優(yōu)異性能將受到汽車廠商的追捧。

人類環(huán)保意識在隨著社會的進步也越發(fā)強烈，在汽車內(nèi)飾件領域的應用是竹纖維增強復合材料是重要市場，其具備的諸多優(yōu)點更是解決了汽車行業(yè)的多個難題。汽車發(fā)生事故時，竹纖維優(yōu)良韌性將減少車輛損毀，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布以使其以最小的體積具有最大化的抗彎強度［10］，其輕質(zhì)的特性也將減少車身重量達20%，大大降低油耗及尾氣排放，是替代目前時興的玻璃纖維復合材料的完美選擇，同時也會對汽車內(nèi)飾件的綜合性有較大提升。此外，在生產(chǎn)過程中竹纖維工藝流程簡單，尤其是能避免化學纖維在生產(chǎn)過程中對生態(tài)環(huán)境的破壞。近年來，世界范圍內(nèi)也相繼開發(fā)應用了多項車用竹纖維復合材料，已經(jīng)著手研發(fā)的產(chǎn)品包括內(nèi)飾板、衣帽架、座椅背板、頂棚、儀表盤、行李箱、隔熱/音和阻尼材料等。

據(jù)有關資料顯示，2010年在德國汽車工業(yè)中，天然纖維增強復合材料應用總量達20萬t，每輛汽車所用的天然纖維增強復合材料達17 kg，以此測算，目前全球汽車工業(yè)天然纖維復合材料年消耗量約160萬t［11］，其中，中國消耗量約46萬t，美國消耗量約30萬t。按照10%～20%的汽車內(nèi)飾復合材料采用竹纖維計算，竹纖維復合材料每年潛在的需求量至少達16萬～32萬t，產(chǎn)值近60億元～120億元，其經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。

當今社會發(fā)展趨勢表明，汽車工業(yè)的發(fā)展將朝著輕量化、電動化、智能化的方向進發(fā)。竹纖維增強復合材料是汽車工業(yè)領域重要輕質(zhì)用材，將在一定程度上提升和改善常規(guī)材料的力學性能、化學性能及物理性能，并能解決常規(guī)材料在工程結構上無法解決的關鍵性問題。竹纖維增強復合材料作為汽車內(nèi)外件的一種新型加工原料，必然將成為今后汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。