于熙昊，曹 歡，王曉晨，趙常暉，金 鑫

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 植物纖維結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

在自然界中有很多纖維，根據(jù)來(lái)源可分為植物纖維，動(dòng)物纖維和礦物纖維3 類，而植物纖維的來(lái)源廣泛，其中植物纖維的主要組成可分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，三者都是高分子化合物且具有各自的空間結(jié)構(gòu)。其中纖維素是以D-吡喃型葡萄糖為主的高分子化合物，它們之間以β-1，4-糖苷鍵相連結(jié)構(gòu)成螺旋狀鏈，這些長(zhǎng)鏈以某種特定的順序締結(jié)聯(lián)合形成纖維素微原纖維，微原纖維彼此結(jié)合形成微纖絲，并且在細(xì)胞壁中纖維素以微纖絲的狀態(tài)存在。纖維素具有較強(qiáng)的結(jié)合度和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，這依賴于纖維素中大量的羥基，羥基在分子內(nèi)部或者分子之間相互締合作用而形成氫鍵，而纖維素的特性正是由這些氫鍵決定[1]。纖維素內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)可以由X-射線衍射技術(shù)觀測(cè)到，結(jié)構(gòu)含有分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu),分子鏈具有整齊排列的、完整規(guī)則的結(jié)晶區(qū)[2]；而無(wú)定形區(qū)的分子鏈幾乎與纖維軸平行，較為松散，排列雜亂，極性水分子易于附著在其中的未結(jié)合羥基上并產(chǎn)生氫鍵，從而出現(xiàn)吸濕現(xiàn)象。半纖維素指在植物細(xì)胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液，遇酸后遠(yuǎn)較纖維素易于水解的那部分植物多糖。組成的成分往往是兩種及兩種以上的單糖，如甘露糖、木糖和半乳糖等[3]；大部分的半纖維聚合度較低，有短的側(cè)鏈，易吸水膨脹，屬于無(wú)定形物質(zhì)。木質(zhì)素是一種由3 種醇單體構(gòu)成的復(fù)雜酚類聚合物，是以醚鍵和碳碳鍵相連結(jié)形成的，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素起到保護(hù)和支撐的作用，通過(guò)氫鍵把與其相鄰的纖維素牢固的結(jié)合在一起，使植物細(xì)胞具有較高的機(jī)械強(qiáng)度[4]。

植物纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)重比高、價(jià)格低廉、可回收、可降解等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的材料相比，植物纖維的來(lái)源廣、資源豐富、種類繁多，這為以后的復(fù)合材料提供更大的發(fā)展基礎(chǔ)，可以在未來(lái)許多種類的領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用[5]。

2 植物纖維品的成型方法

木質(zhì)素屬于非晶體，雖然其沒有固定的熔點(diǎn)，但達(dá)到一定溫度可以使其軟化。當(dāng)溫度升高到70℃以上時(shí)，木質(zhì)素變軟，具有粘性；再次加溫，當(dāng)溫度達(dá)到200～300℃時(shí)，木質(zhì)素變?yōu)槿廴跔?，粘性較高，壓力下使木質(zhì)素與纖維素緊密粘接，冷卻后固化成型[6]。根據(jù)這種特性，將植物纖維在一定溫度、壓力的條件下放入壓縮成型機(jī)，使木質(zhì)素軟化，后經(jīng)擠壓使植物纖維成型。植物纖維復(fù)合材料一般可分為4 步:擠出、發(fā)泡、注塑和熱壓。植物纖維復(fù)合材料的成型方法一般為擠出成型和注塑成型兩種。其中擠出成型具有相對(duì)較強(qiáng)的剪切作用、易于將纖維打碎使其與物料均勻的混合; 但擠出機(jī)的施壓成型部分對(duì)溫度比較敏感，不易于操控，對(duì)溫度和操作具有較高的要求，溫度較低時(shí)物料具有低粘度，從而使得擠出的材料不緊密，物料的塑化效果相對(duì)而言就比較差，尺寸不夠，導(dǎo)致擠出的成品也具有較差的效果，最后使產(chǎn)品的機(jī)械性能也受到影響[7]。注塑成型的原理是指把原料打碎混合均勻后經(jīng)過(guò)塑化再通過(guò)一定壓力和一定的流速注入到準(zhǔn)備好的模具的內(nèi)腔中，然后在內(nèi)腔中冷卻脫模后制得，制得的成品具有精確的尺寸，其加工性能優(yōu)異，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大批量的生產(chǎn); 但注塑階段初始的壓力難以調(diào)控，成品的質(zhì)量會(huì)因此產(chǎn)生較大的誤差[8]。熱壓成型的優(yōu)點(diǎn)是成品強(qiáng)度密實(shí)性好，生產(chǎn)效率高，條件要求較低易于操控等; 缺點(diǎn)是需要加入助劑，并且要制作符合原料和成品特點(diǎn)的模具，比較耗時(shí)還容易產(chǎn)生誤差。但隨著科技的進(jìn)步和人們的不斷嘗試，找到了可以運(yùn)用原料自身的粘性且使用助劑的替代物使其效果與原來(lái)一致;如使用堿木素來(lái)代替粘黏劑，堿木素產(chǎn)生的脫甲基木素可以使分子與物料的混合充分性提高，從而使碾碎的纖維之間的粘合效果更棒[9]。

3 植物纖維結(jié)合的熱壓過(guò)程

天然植物纖維熱壓后具有抗耐磨性，較大的強(qiáng)度，較高的硬度等物理力學(xué)性質(zhì)[10]。通過(guò)改性處理使植物纖維形成微纖維，這些微纖維填充了纖維間的縫隙，并在纖維內(nèi)部與它們之間彼此纏繞，成為了形成氫鍵的前提。少量植物纖維本身?yè)碛凶哉承停且驗(yàn)槔w維內(nèi)部含有大量的果膠、葡萄糖等碳水化合物，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)這些物質(zhì)具有自粘性，同時(shí)糖可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭啡?，木質(zhì)素可以轉(zhuǎn)化為糖醛從而加強(qiáng)纖維的結(jié)合，提高植物纖維的結(jié)合強(qiáng)度。而另一部分不具有自粘型的纖維可以在高溫及高壓條件下，添加膠黏劑，使熔融狀態(tài)下的膠黏劑均勻分布在纖維之間，待其冷卻后也可以達(dá)到固化纖維的作用[11]。除了上述方法也可以通過(guò)添加單寧或含有酚類的物質(zhì)來(lái)使纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度提高。纖維粘合的機(jī)制為:熱塑性流動(dòng)、物理固結(jié)以及化學(xué)粘合[12]。在熱壓過(guò)程中，熱量的傳遞方式有熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流，熱輻射3 種方式，隨著模具內(nèi)氣體溫度的升高，熱量從物料外部傳遞到內(nèi)部[13]。除此之外，在熱壓階段物料中的含水量也會(huì)發(fā)生改變。隨著逐漸施加壓力，濕物料中的自由水被大量排出，纖維中水的含量也大幅度降低，這個(gè)過(guò)程為水分迅速下降階段; 之后在溫度以及壓力的雙重影響下，以水蒸汽的形式蒸發(fā)掉了物料內(nèi)的結(jié)合水，從而纖維中的含水率進(jìn)一步降低，為汽化階段。所以在熱壓過(guò)程中，減少干燥的時(shí)間可以通過(guò)降低物料的含水量及升溫增壓等方法來(lái)調(diào)整[14]。

4 植物纖維熱壓成型工藝流程

圖1 熱壓成型工藝流程圖Fig.1 Process of hot pressing

植物纖維的熱壓成型是指把預(yù)處理的植物纖維原料與助劑混合均勻，置于準(zhǔn)備好的模具中，然后在高溫高壓的條件下，經(jīng)過(guò)熔融，硬化，冷卻將模型壓成形后形成成品的技術(shù)。

（1）產(chǎn)品的升溫階段（擠水段） 初始濕坯中含有大量結(jié)合水與自由水，其中自由水的水份含量占其絕大部分。開始熱壓的過(guò)程中，在高溫的作用下，濕坯的溫度迅速升高，合模壓力將從濕坯中擠壓出約70%的水分，因此，濕坯的相對(duì)含水率會(huì)下降，大約為30%。經(jīng)測(cè)試，在這一階段的產(chǎn)品其內(nèi)部的溫度在結(jié)束時(shí)溫度接近100℃。

（2）水分蒸發(fā)階段（干燥段） 此階段是在高溫高壓作用下將細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水和其表面水分通過(guò)蒸汽的方式排出，首先，排出的是含量較大的孔隙水，此時(shí)濕胚的結(jié)構(gòu)不會(huì)受到影響，隨后排出毛細(xì)管水，使纖維微觀間隙變小，纖維表面因此相互挨攏，為其氫鍵的形成創(chuàng)造了條件。

（3）恒溫階段（塑化段） 在這一階段，濕胚的水分幾乎全被排出，其含水量降到10%以下。此時(shí)制成品的結(jié)構(gòu)已然成型，密度升高，纖維素、半纖維素充分塑化，木質(zhì)素發(fā)生熔融現(xiàn)象，因此在高黏度下，木質(zhì)素與纖維之間通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起。同時(shí)制品的質(zhì)量受到干燥程度的直接影響，干燥溫度過(guò)低，未達(dá)木質(zhì)素熔融點(diǎn)，則會(huì)使干燥時(shí)間延長(zhǎng)；干燥溫度過(guò)高，纖維發(fā)生降解，制品強(qiáng)度也同樣隨之下降。若干燥時(shí)間不足，則水分難以完全排除，成品會(huì)出現(xiàn)凸起點(diǎn)等現(xiàn)象，造成機(jī)械強(qiáng)度下降；干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，化學(xué)結(jié)構(gòu)可能隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致成品白度下降。

其過(guò)程中的模具得具備較強(qiáng)的機(jī)械可加工性能、良好的熱傳導(dǎo)效果和一定的抗腐蝕性能，熱壓成型的過(guò)程中才能更好更快的進(jìn)行質(zhì)的傳遞和熱傳導(dǎo)[15]。

5 結(jié)論

熱壓工藝法能夠使混合料中包含的植物纖維比例達(dá)到80% ,這是其主要優(yōu)點(diǎn)，植物纖維既具有良好的加工性能，并且加工出來(lái)的材料物理力學(xué)性能優(yōu)異，具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。熱壓成型技術(shù)具有能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的大批量生產(chǎn)、操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)品生成后的質(zhì)量與生產(chǎn)要求尺寸統(tǒng)一、環(huán)保耐用等優(yōu)點(diǎn)。熱壓成型的材料在質(zhì)量方面其色澤度較高，成型較為完整，材料表面較為光滑，其韌性度也較好，變形較少發(fā)生，產(chǎn)品的感官品質(zhì)甚佳。熱壓塑化成型工藝的特點(diǎn)是無(wú)需添加石化類的產(chǎn)品、植物纖維的可利用率可達(dá)到最大、可以自然降解等，發(fā)展空間及使用范圍十分廣闊。