寧春平 易玉華

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣東廣州 510640)

聚氨酯是一類具有軟硬段嵌段分子結(jié)構(gòu)的高分子材料,原料配方可調(diào)控性強(qiáng),力學(xué)等性能變化范圍十分寬廣。盡管聚氨酯擁有諸多優(yōu)良性能[1-2],但單一的聚氨酯材料難以滿足某些更高及特殊的使用要求[3]。近年來,使用纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料成為制備高性能聚氨酯材料的重要途徑之一。

竹纖維是一種可以完全降解的生物質(zhì)纖維,纖維素含量在60%以上,纖維素分子的線形結(jié)構(gòu)和多羥基特點(diǎn)使其可以形成大量氫鍵和高結(jié)晶度晶區(qū),是竹纖維強(qiáng)度的主要來源,也是竹纖維在增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料中的應(yīng)用基礎(chǔ)[4-5]。竹纖維以束纖維或微原纖維形態(tài)存在。束纖維直徑大多在100 μm以上,由木質(zhì)素將微原纖維粘結(jié)而成,有研究報(bào)道竹纖維拉伸強(qiáng)度和模量可達(dá)575 MPa和40 GPa[4],微原纖維拉伸強(qiáng)度甚至高達(dá)1 610 MPa[6],因此竹纖維對聚氨酯具有優(yōu)異的增強(qiáng)作用。

竹纖維表面有很多縱向溝槽,橫截面則呈中空扁圓形并具有較大的內(nèi)腔表面積[4]。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得竹纖維的吸音性、透氣導(dǎo)濕性及對小分子的吸附性都非常好,從而讓竹纖維在聚氨酯吸附材料和隔音材料中得以應(yīng)用。

本文對竹纖維在聚氨酯材料增強(qiáng)、吸附和隔音方面的應(yīng)用進(jìn)行簡單的綜述。

1 竹纖維用于聚氨酯增強(qiáng)材料

竹纖維輕質(zhì)、高強(qiáng)且表面含有羥基,是聚氨酯的優(yōu)良增強(qiáng)材料。經(jīng)表面處理后的竹纖維可提高與聚氨酯的界面粘接,對聚氨酯復(fù)合材料具有更好的增強(qiáng)效果。

2 竹纖維用于聚氨酯吸附材料

關(guān)于竹纖維/聚氨酯復(fù)合體系用于吸附材料的專利較多。竹纖維獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的吸附性能,其在制備吸附異味、降低揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)含量的復(fù)合材料中前景廣闊。

姚華平[12]發(fā)明了一種低VOC車用短切竹纖維增強(qiáng)/大豆油基聚氨酯復(fù)合板,竹纖維起到吸附有害氣體的功效,在納米鐵基二氧化鈦復(fù)合光催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)吸附氣體的分解。該竹纖維/聚氨酯復(fù)合板材氣味等級較低,其承重性、耐水性和抗沖擊性能均優(yōu)于現(xiàn)有車用頂篷材料。

關(guān)于竹纖維在吸附材料中的應(yīng)用更多是以竹炭粉末的形式,竹炭粉末是竹子經(jīng)過高溫處理再粉碎而成,是天然竹纖維的一種利用形式。竹炭粒子具有疏松多孔結(jié)構(gòu),吸附性極強(qiáng),可作為其它合成纖維的改性劑,如將竹炭粉末加入合成纖維熔液中紡絲可制成具有吸附性的纖維,將竹炭粉末引入發(fā)泡材料中則可提高復(fù)合材料吸附性能。Ren等[13]采用一步發(fā)泡法制備了竹炭/聚氨酯復(fù)合發(fā)泡材料。掃描電鏡圖表明,復(fù)合材料表面十分粗糙,對四氯化碳的最高吸附量達(dá)37.1 g/g,比純聚氨酯材料提高了32%,而且使用5次以內(nèi)吸附量沒有明顯下降。

3 竹纖維/聚氨酯復(fù)合隔音材料

噪音污染對人的身心健康影響很大,力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異的竹纖維引入聚氨酯發(fā)泡將影響泡孔大小和形態(tài)結(jié)構(gòu),可制備很好的隔音降噪材料。

Chen等[14]將竹屑和小竹條引入聚氨酯發(fā)泡體系,發(fā)現(xiàn)適量加入這兩種類型竹纖維均能提高聚氨酯泡沫材料的泡孔尺寸和氣流阻力,使得復(fù)合發(fā)泡材料的吸音系數(shù)和吸音性能比純聚氨酯發(fā)泡明顯提高,在100～630 Hz的低頻區(qū)效果尤其顯著(純聚氨酯發(fā)泡低頻區(qū)吸音性相對較差)。其中,泡沫含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的竹纖維時(shí),竹纖維聚氨酯復(fù)合泡沫的氣流阻力和噪音衰減系數(shù)(NRC值)分別比純聚氨酯泡沫提高126%和8%,對應(yīng)在250～315 Hz頻率區(qū)的吸音系數(shù)提高50%～60%,而且其隔音性在全頻區(qū)均高于純聚氨酯發(fā)泡材料。

樓利琴等[15]通過模壓成型制備了竹纖維/聚氨酯復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)堿處理后采用直鋪法制成的復(fù)合材料在150～500 Hz及1 000 Hz以上頻率區(qū)的隔音性能明顯增加,這是由于堿處理使得纖維束分離,纖維比表面積增大,與基體界面結(jié)合力和相容性增加,透氣性變差，使得聚氨酯復(fù)合材料隔音性能增強(qiáng)。

專利[16]通過熱壓成型制備了竹纖維/聚氨酯復(fù)合板材,該板材不僅蓄熱保溫、隔音效果優(yōu)良,且抗壓、抗彎斷裂等力學(xué)性能好。李婷婷等[17]對竹粉簡單烘干熱處理后,通過熔融共混和熱壓發(fā)泡法制備了竹纖維/熱塑性聚氨酯復(fù)合泡沫,發(fā)現(xiàn)竹纖維的加入使聚氨酯復(fù)合材料的吸聲性能有所改善。

竹纖維/聚氨酯復(fù)合體系隔音性能的改善使其比合成纖維/聚氨酯復(fù)合材料在成本、環(huán)保和綜合性能上更具競爭力。

4 展望

竹纖維特殊的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu),賦予其輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)異的吸附透氣特性,在改善聚氨酯力學(xué)強(qiáng)度、吸附性能和隔音方面應(yīng)用前景良好。目前有關(guān)竹纖維/聚氨酯復(fù)合體系的研究相對較少,如何充分發(fā)揮竹纖維更多天然特性,使復(fù)合材料具有更高力學(xué)強(qiáng)度仍需很多研究工作,另外竹纖維的有效改性及其與聚氨酯的復(fù)合工藝也有待進(jìn)一步研究。