陳季荷 顧少華 李明鵬 李文婷 程海濤

(國際竹藤中心 竹藤科學與技術(shù)重點實驗室 北京 100102)

纖維增強聚合物基復合材料是由聚合物基體和纖維增強體結(jié)合而成。目前，玻璃纖維是聚合物中的主要增強纖維，大約95%的纖維復合材料使用玻璃纖維作為增強材料[1]。玻璃纖維屬于高能耗材料，其復合材料雖然表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，但是也由于其回收利用困難且不可降解而引起環(huán)境污染和資源浪費。在“碳達峰、碳中和”目標背景下，實現(xiàn)綠色發(fā)展，需要實現(xiàn)從材料提取和選用、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、使用過程直至回收再生的整個生命周期的綠色化和生態(tài)化。因此，人們對植物纖維替代玻璃纖維的需求日益增長。

據(jù)預測，全球天然纖維復合材料市場規(guī)模將從2016年的4.46億美元增加到2024年的10.89億美元[2]。竹纖維增強聚合物基復合材料(BFRP)因具有高比強度和比模量、低密度、可降解等特點，將成為具有廣闊發(fā)展前景的復合材料。BFRP具備竹纖維和聚合物雙重特性，是環(huán)境友好型材料和高新技術(shù)材料，在復合材料領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色[3-5]，目前在交通、建筑、體育等領(lǐng)域得到初步應用。因此，發(fā)揮其特有功能特性，提高附加值，開拓新的應用領(lǐng)域，是BFRP研究的熱點及突破點。本文將介紹竹纖維的結(jié)構(gòu)與化學成分，以及竹纖維增強聚合物基復合材料的性能，重點概述BFRP的應用現(xiàn)狀，以期為擴大竹纖維增強聚合物基復合材料的應用與進一步發(fā)展提供參考。

1 竹纖維

竹纖維是竹材經(jīng)化學或機械加工制得的包含單個纖維細胞和多纖維細胞集合體的束狀、絲狀或絮狀單元[6]，被譽為“綠色纖維”和“21世紀健康纖維”。竹纖維分為竹原纖維和竹漿粘膠纖維。竹原纖維具有的裂紋、凹槽與空隙類似毛細管，可起到瞬間吸收和蒸發(fā)水分的作用，被比喻為“會呼吸的纖維”。相對于竹原纖維，竹漿粘膠纖維伸長率更大、韌性和剛性更佳，具有較好的吸濕和散濕性能，手感舒適，抗菌性能良好[7-10]。

竹纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)與化學成分決定了其復合材料的力學性能。竹纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)包括初生細胞壁和3層次生細胞壁(圖1)，初生細胞壁的主要成分為果膠，次生細胞壁主要由纖維素構(gòu)成，以結(jié)晶微纖絲以及無定形微纖絲為主，是纖維的主要承力結(jié)構(gòu)。竹纖維化學成分中纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的含量占90%以上，另外還有果膠、灰分等其他物質(zhì)。

圖1 竹纖維結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bamboo fiber

與其他木質(zhì)纖維相比，竹纖維的纖維素含量較低，木質(zhì)素和半纖維素的含量遠高于苧麻、亞麻等其他木質(zhì)纖維。竹纖維的纖維纏繞交織性強，纖維間結(jié)合強度大，其機械強度在植物纖維中相對較大[11-14]。竹纖維的拉伸強度和比強度分別可達600 MPa和450 MPa，均優(yōu)于其他一些植物纖維如亞麻、黃麻(表1)[15-16]。同時，因其質(zhì)輕高強、綠色環(huán)保、低能耗等特點，可以替代玻璃纖維和聚合物纖維[17-18]，是一種綠色可持續(xù)的纖維增強材料，可應用于建筑等多種領(lǐng)域，從而減少碳排放[19-23]。

表1 竹纖維與其他類型纖維力學性能比較Tab.1 Comparison of mechanical properties between bamboo fiber and other fibers

2 竹纖維增強聚合物基復合材料

竹纖維增強聚合物基復合材料(BFRP)是竹纖維與熱固性或熱塑性樹脂基體通過成型工藝制備而成的一種環(huán)保型復合材料(圖2)。當前國內(nèi)BFRP基體類型主要為熱塑性聚合物(聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等)和熱固性聚合物(聚氨酯、環(huán)氧、酚醛、不飽和聚酯等)[24]。竹纖維作為增強材料可以有效提高聚合物復合材料的拉伸強度和沖擊強度。BFRP在密度、成本、能耗及環(huán)保性等方面明顯優(yōu)于玻璃纖維復合材料[25]，但是竹纖維表面比較粗糙、極性較強，導致復合材料界面結(jié)合力弱。因此，研究BFRP的界面性能成為該領(lǐng)域的熱點，目前研究主要集中于竹纖維形態(tài)及含量、改性處理等方面。

圖2 BFRP的制備與應用Fig.2 Preparation and application of BFRP

竹纖維增強材料復合時采用的竹纖維形態(tài)主要是纖維態(tài)和粉態(tài)。竹纖維的粒徑對竹塑復合效果影響顯著，竹粉粒徑?jīng)Q定竹纖維在基體中的分散程度，最終影響材料性能，研究發(fā)現(xiàn)竹粉粒徑選用75～380 μm時材料性能較好[26]。竹纖維增強復合材料的強度隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，竹纖維的最佳體積分數(shù)約為40%[27]。竹纖維增強復合材料界面改性的研究主要集中于對竹纖維的改性處理。Yan等[28]研究了堿處理對竹織物增強環(huán)氧樹脂界面形貌和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)竹織物/環(huán)氧復合材料經(jīng)過堿處理后，其拉伸強度和彎曲強度較未處理時至少提高了18.7%和13.6%，且拉伸斷口表面纖維/環(huán)氧界面粘著性能明顯改善。Zhang等[29]研究發(fā)現(xiàn)，由于堿處理去除了纖維表面暴露羥基的雜質(zhì)，其界面相機械聯(lián)鎖部分和氫鍵數(shù)量增加、附著力增強，使得纖維與基體間的界面剪切強度明顯改善。可見，界面改性能明顯提高BFRP的性能，從而提高其開發(fā)與利用價值。

3 竹纖維增強聚合物基復合材料應用

3.1 在汽車領(lǐng)域的應用

目前，汽車工業(yè)日益向輕量、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。汽車輕量化實質(zhì)是保證汽車性能和品質(zhì)不受影響甚至有所提高的前提下，盡可能減小車體質(zhì)量，進而達到降低能耗、減少對環(huán)境影響的目的。歐盟在《2000/53/EC 指令》中提出，自2015年起報廢汽車的回收利用率要達到95%，其中材料的再利用率不低于85%。2021年中國出臺《汽車產(chǎn)品生產(chǎn)者責任延伸試點實施方案》，要求2023年汽車可回收利用率達到95%。竹纖維增強復合材料所具有的輕質(zhì)高強、能耗低、耐腐蝕及良好的可設(shè)計性等優(yōu)點，不僅可以在一定程度上改善和提高單一常規(guī)材料的力學性能、物理性能和化學性能，而且在工程結(jié)構(gòu)上能解決常規(guī)材料無法解決的關(guān)鍵性問題，成為汽車實現(xiàn)輕量化的優(yōu)選材料[30-33]。

目前，在汽車中應用的基于天然纖維復合材料的零件已超過40種，國內(nèi)外也已開發(fā)出多種車用竹纖維增強復合材料。2008年日本三菱汽車開創(chuàng)性通過熱壓成型技術(shù)將竹纖維與樹脂混合制備了汽車零件，將BFRP引入汽車內(nèi)飾材料應用領(lǐng)域[34]。2014年日本發(fā)條公司(NHK Spring Co., Ltd.)利用竹纖維/聚丙烯復合材料制作出了汽車后座背板，相比于木質(zhì)板材質(zhì)量減輕10%。德國奔馳公司也將BFRP應用到汽車制造中，使汽車質(zhì)量減輕了10%左右，應用BFRP的產(chǎn)品有車門內(nèi)板、頂棚、行李箱、座椅背板及卡車和客車的內(nèi)襯板等[35]。表2為目前不同汽車公司利用竹纖維復合材料制造的汽車內(nèi)飾件。

表2 BFRP在汽車部件中的應用Tab.2 Application of BFRP in automobile parts

在國內(nèi)，國際竹藤中心的研究人員突破了竹纖維深度模壓復合材料制造瓶頸，研發(fā)了汽車內(nèi)襯用竹纖維復合材料多部件一體化制備技術(shù)，目前已在國內(nèi)部分汽車公司進行試生產(chǎn)。與傳統(tǒng)內(nèi)襯件相比，竹纖維汽車內(nèi)襯件密度由1.05 g/cm3降為0.92 g/cm3，質(zhì)量減輕2.4%，可減少9.92%的燃油消耗；竹纖維汽車內(nèi)襯件的揮發(fā)性化合物(VOC)和半揮發(fā)性化合物(SVOC)含量符合國際標準GMW15634—2014的要求。浙江農(nóng)林大學[36]與多家科研機構(gòu)和公司合作也開發(fā)了車用竹纖維非織造材料，其成分80%為粗竹纖維，已經(jīng)試生產(chǎn)的產(chǎn)品有門內(nèi)板、儀表盤、座椅背板等。相比于傳統(tǒng)的非織造材料，采用粗竹纖維與一定比例的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)生產(chǎn)的非織造材料用作隔熱/音和阻尼材料效果更好，可以廣泛用于生產(chǎn)汽車內(nèi)飾材料。

3.2 在其他領(lǐng)域的應用

在航空材料領(lǐng)域，法國BAMCO公司正開發(fā)一種用竹纖維取代玻璃纖維的新型航空復合材料，用于替換飛機機艙和駕駛艙內(nèi)的標準件和葉片元件，使其質(zhì)量更輕，燃料消耗更低，同時亦能滿足耐熱性和機械性能(強度、沖擊和振動阻尼)的要求，該材料將有助于減少飛機對環(huán)境的影響。BFRP也可用于生產(chǎn)飛機的客艙家具、蓋板和機身覆層板等。

在風力發(fā)電領(lǐng)域，BFRP因其具有生物可降解性而引起廣泛關(guān)注。英國瑞爾科技有限公司發(fā)現(xiàn)，竹纖維復合材料具有較好的抗疲勞性能、壓縮比及比模量，這些均為制造風力發(fā)電機葉片的關(guān)鍵參數(shù)。因此，竹材可以作為風力發(fā)電機葉片的主要材料來源[37]。浙江大莊實業(yè)集團有限公司同國內(nèi)著名風電企業(yè)合作，已批量生產(chǎn)風電葉片用竹復合材料；河北省張北縣成功安裝竹復合材料葉片的風電機組，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

當竹纖維/聚丙烯復合材料的密度為0.20 g/cm3時，其保溫性能與聚苯乙烯泡沫相當，且其具有可再生、可降解優(yōu)勢，作為結(jié)構(gòu)保溫板(SIPs)芯材應用前景廣闊[38]。日本同志社大學的藤井透教授使用竹纖維開發(fā)出一種可降解的新型塑料，其中竹纖維的占比高達80%，該產(chǎn)品改善了竹纖維的防潮性能，可應用于生產(chǎn)浴室材料[39]。一家日本公司計劃將BFRP作為生產(chǎn)無紡布的材料，通過利用竹纖維優(yōu)異的抗菌性、吸濕性等特點，用于生產(chǎn)衛(wèi)生紙、紙尿布、餐巾紙以及口罩(無紡布型)等產(chǎn)品。

在國內(nèi)，國際竹藤中心研究人員開發(fā)了連續(xù)竹纖維成套加工設(shè)備，攻克了連續(xù)竹纖維制備關(guān)鍵技術(shù)，可實現(xiàn)竹纖維全部(或部分)代替麻纖維、玻璃纖維和化學纖維等材料；同時以連續(xù)竹纖維為主，利用多維連續(xù)成型工藝可制備小徑和變徑管、管狀網(wǎng)殼，用于生產(chǎn)電纜保護管、穿線管、風管等產(chǎn)品，可減輕產(chǎn)品自身質(zhì)量、提升產(chǎn)品保溫性能，以替代不可降解玻纖管材[40-42]。此外，還開發(fā)出了竹纖維復合材料建筑墻板及裝飾板，目前已成功示范。在文化辦公用品領(lǐng)域，利用可降解超低能耗的竹纖維復合材料研制了包括檔案盒、文件袋等系列文具產(chǎn)品。湖南中南神箭實業(yè)集團有限公司利用薄竹簾與樹脂混合在高壓、高溫下制成高強度竹膠托板，與傳統(tǒng)竹編器物相比，此材質(zhì)耐磨性能較好、光澤感強，主要用于運輸行業(yè)，能夠保護車廂免受貨物頻繁移動帶來的磨損[43]。此外，竹纖維復合材料還應用于乒乓球拍、球棒、沖浪板及滑雪板等體育器材中[44]。

李健等[45]利用竹粉和聚酯粉末制造復雜零件的熔模鑄造件發(fā)現(xiàn)，BFRP能夠在保證精度的情況下進行選擇性激光燒結(jié)，且翹曲比較小，具備較好的精度傳遞性。張飛帆等[46]研究發(fā)現(xiàn)，由BFRP制備的管材性能良好，經(jīng)濟效益明顯，在輸水管道中有著廣闊的應用前景，亦可以作為許多土建工程的主、次承力構(gòu)件。栗洪彬[47]研究了BFRP在公路防撞護欄中的應用，發(fā)現(xiàn)竹纖維/環(huán)氧乙烯基復合材料為單向鋪層結(jié)構(gòu)且當竹片鋪層為15層時，其性能優(yōu)異，在主要性能上滿足了公路防撞護欄對其原料Q-235B鋼的標準要求，適宜在防撞護欄中應用。陳復明等[48]開發(fā)了竹束單板、復合板制造及集裝箱房屋組裝技術(shù)，該技術(shù)以竹束單板層積材、竹席膠合板、竹篾層積材等為框架和覆板，通過合理設(shè)計將其加工成標準構(gòu)件，再通過金屬連接件的合理連接形成可組裝的板式房屋，可用作非永久性的景區(qū)房、野外施工住房、軍隊營房等。

4 結(jié)束語

BFRP作為新型復合材料，在全球倡導綠色可持續(xù)發(fā)展的背景下，其應用優(yōu)勢日益凸顯。然而，BFRP在擴大應用的同時，也存在著原材料供應鏈有待拓展、纖維與樹脂匹配性能差、應用領(lǐng)域局限等問題。加大對BFRP基礎(chǔ)研究的力度，提高其利用率，擴大應用領(lǐng)域，將是未來竹纖維復合材料發(fā)展的趨勢。今后應加強以下方面的研究。

1) 研究竹纖維化學組成與力學性能之間的關(guān)系。進一步研究竹纖維的化學組成，以確定纖維素在竹纖維細胞中的存在狀態(tài)以及不同纖維素的比例，更精確地建立竹纖維的化學組成與力學性能之間的關(guān)系。

2) 提高BFRP的界面性能。深入研究纖維形態(tài)和含量、界面改性劑等對復合材料界面性能的影響，進而解決竹纖維與聚合物共混復合過程中存在的一些問題，改善BFRP的界面性能，提高復合材料的承載能力。

3) 完善BFRP的生產(chǎn)工藝。通過引入先進的設(shè)備和成熟的生產(chǎn)工藝，使BFRP形成規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、配套化、一體化的生產(chǎn)流程，推動BFRP多領(lǐng)域、大規(guī)模的應用。