張萌，馮冰濤，王曉珂，殷茂峰，張信，孫國華，馬勁松，程德寶，侯連龍

(河北科技大學材料科學與工程學院，河北省柔性重點實驗室，石家莊 050018)

天然纖維是具有高縱橫比的毛發(fā)狀或線狀自然存在的物質(zhì)。天然纖維由于具有成本低、質(zhì)量輕和可生物降解性等優(yōu)點[1]，在許多領(lǐng)域可取代合成纖維，并且天然纖維是聚合物基復合材料中重要的增強材料之一，由天然纖維增強的熱塑性樹脂基復合材料具有高比強度和模量、可用性好、成本低、質(zhì)量輕、可回收、可生物降解、無健康危害等特點。

雖然天然纖維增強熱塑性復合材料優(yōu)點很多，但是天然纖維與熱塑性樹脂的復合面臨著很多困難。天然纖維中存在著豐富的羥基和極性官能團，親水性較好，這導致其與非極性高分子材料的界面相容性較差，使二者界面之間不易產(chǎn)生很好的結(jié)合，并且氧負離子的存在也很容易使纖維表面吸附大量水分，從而造成纖維破裂或降解[2]。另外，天然纖維分子內(nèi)含有氫鍵，加熱會導致其在熱塑性樹脂基體中分布不均勻，從而影響天然纖維增強熱塑性復合材料的性能[3]。為了使天然纖維與熱塑性基體樹脂更好的結(jié)合，國內(nèi)外學者做了大量研究。筆者綜述了近年來天然纖維的預處理技術(shù)、化學改性方法以及不同樹脂基體的天然纖維增強熱塑性復合材料和復合材料成型工藝等方面的研究進展，同時也對天然纖維增強熱塑性復合材料應用現(xiàn)狀進行了介紹，并且對未來天然纖維的發(fā)展進行了展望。

1 天然纖維預處理方法

天然纖維表面存有較多的羥基，分子鏈內(nèi)和分子鏈間又含有較強的氫鍵，具有較強的極性和吸濕性，這造成了它和非極性樹脂較差的界面黏附性，從而影響纖維復合材料的綜合性能。預處理可破壞天然纖維內(nèi)部纖維素之間的連接，降低纖維素的結(jié)晶度，分離木質(zhì)素，使纖維疏松性增加，羥基充分暴露，從而使纖維反應活性提升[4]。常用的預處理方法有蒸汽爆破法、熱處理法、堿處理法等。

1.1 蒸汽爆破預處理

蒸汽爆破預處理通過擴散作用使高溫高壓的蒸汽進入天然纖維細胞，破壞纖維之間的連接，軟化木質(zhì)素，降解半纖維素。短時間內(nèi)高壓蒸汽瞬間釋放，纖維急劇膨脹破裂，從而分離纖維原料組分并改變結(jié)構(gòu)[5]。

羅海等[6]用蒸汽爆破法預處理竹纖維，發(fā)現(xiàn)纖維直徑減小、總面積增大，同時分解木質(zhì)素，從而改變竹纖維結(jié)構(gòu)。Jiang 等[7]在0.5，1.0，1.5 MPa 的壓力下使用蒸汽爆破法對紅麻韌皮進行處理。結(jié)果表明，經(jīng)蒸汽爆破法處理后，果膠和半纖維素很容易降解，而木質(zhì)素僅表現(xiàn)出輕微的分解；在1.5 MPa 蒸汽爆破法處理下，紅麻上的纖維素降解。研究還表明，可以通過低壓處理去除低分子量的纖維素。

1.2 熱預處理

熱預處理能降低天然纖維中水的含量，從而減少材料中空隙和降低內(nèi)部應力，使材料的形狀更加穩(wěn)定[8]；同時，熱處理能降低天然纖維表面羥基含量，增大與基體樹脂的界面黏附性。

Langhorst等[9]對龍舌蘭纖維進行熱預處理，發(fā)現(xiàn)熱預處理提高了龍舌蘭纖維的熱穩(wěn)定性，但對龍舌蘭增強聚丙烯復合材料的熱性能和結(jié)晶動力學沒有明顯的影響。此外，熱預處理導致復合材料流變學性能降低，但復合材料的力學性能變化不大。Adebayo 等[10]熱處理紅樹林纖維并與高密度聚乙烯進行復合，發(fā)現(xiàn)熱處理后的復合材料更早達到水平衡，并保持較低的吸水率；熱處理后的復合材料拉伸性能更加優(yōu)異，處理過的復合材料吸水后的附著力損失和纖維降解得到改善，復合材料的界面附著力得到了改善。

1.3 高能輻射預處理

高能輻射預處理是一種通過去除纖維表面雜質(zhì)來改性纖維的新技術(shù)，可以通過在受輻射材料中產(chǎn)生離子和自由基來刺激化學反應，從而消除纖維表面的雜質(zhì)并引起力學性能、結(jié)晶度和疏松性的變化。

Guo 等[11]利用電子束照射與無機鹽和過氧化氫相結(jié)合的玉米芯，對其進行預處理，提高了玉米芯表面的疏松性。鄧華等[12]對秸稈纖維進行微波輻射預處理，發(fā)現(xiàn)秸稈纖維的疏水性提高，表面粗糙度增大，與聚乙烯基體的黏附性得到增強，使復合材料不易發(fā)生形變，改善了復合材料的綜合性能。Zaman等[13]對香蕉纖維進行紫外光輻照，并制備香蕉纖維增強聚丙烯復合材料，發(fā)現(xiàn)其力學性能得到明顯提高。

1.4 堿預處理

堿預處理是一種廣泛使用的預處理方法，能夠有效誘導更好的界面結(jié)合，并可改善力學性能，破壞纖維素網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的氫鍵，從而增加纖維的表面粗糙度，同時去除覆蓋在纖維細胞壁外表面的木質(zhì)素、蠟和油，解聚天然纖維素結(jié)構(gòu)，暴露出短長度的晶體，還能去除細胞壁上的蠟質(zhì)和脂肪酸[14]。

Senthamaraikannan等[15]對巨球藻進行堿處理，發(fā)現(xiàn)堿處理后纖維素的熱穩(wěn)定性和降解溫度、表面粗糙度均得到提高。Manikandan 等[16]用NaOH 水溶液對長須草莖纖維進行處理，用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析原料纖維和處理后纖維的化學成分，經(jīng)處理后纖維素含量由70.06%提高到83.91%；X 射線衍射(XRD)結(jié)果表明，該材料的結(jié)晶指數(shù)和晶粒尺寸均有所提高；熱重(TG)分析表明，處理后的纖維具有較高的熱穩(wěn)定性。堿處理纖維的拉伸強度和模量比未處理纖維有所提高。Hu等[17]對檳榔殼堿處理以獲得富含纖維素的纖維，堿處理導致纖維的結(jié)構(gòu)變化，纖維力學性能得到提高，直徑減小，熱穩(wěn)定性顯著提高，孔隙增加。

1.5 過氧化物預處理

過氧化物預處理方法能降低天然纖維吸濕性，提高熱穩(wěn)定性，可引發(fā)不飽和聚酯接枝到纖維表面，也可引發(fā)纖維的羥基與樹脂基體反應，提高纖維與樹脂基體的界面性能[18]。

Vinayagamoorthy 等[19]采用過氧化物處理香根草纖維并制備香根草纖維增強聚酯復合材料，發(fā)現(xiàn)復合材料力學性能得到提高，拉伸、彎曲性能得到改善。Jordan 等[20]對香蕉纖維進行過氧化氫預處理，發(fā)現(xiàn)纖維和聚乙烯基體間黏附性得到了改善，復合材料的力學性能得到了提高。Ahmad等[21]對劍麻纖維進行過氧化二異丙苯預處理，處理后與低密度聚乙烯復合，發(fā)現(xiàn)處理后所形成的復合材料的拉伸強度和拉伸彈性模量遠高于未處理的復合材料。

1.6 機械預處理

機械預處理是指采用機械的方法對原料進行破碎、研磨處理，破壞植物纖維，可以改變原料原有的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，提高比表面積，使纖維素的聚合度和結(jié)晶度變?nèi)酰⒘ｉL度變小，結(jié)構(gòu)變松，提高酶和化學試劑的可及度，缺點是不能除去半纖維素和木質(zhì)素，通常機械處理在其它處理方法之前進行，以提高后續(xù)其它處理方法的效率[22]。

李漫等[23]用PFI 打漿機對竹纖維進行預處理，發(fā)現(xiàn)纖維所受剪切、揉搓作用與打漿機轉(zhuǎn)數(shù)成正比，打漿機破壞了纖維素分子間作用力，導致其形態(tài)改變，使結(jié)晶度下降，但纖維的保水值卻得到增加，同時使纖維出現(xiàn)分絲帚化現(xiàn)象，提高了其它溶劑的可及度，增大了有效接觸，使纖維素的氧化度得到提高。

1.7 組合預處理

組合預處理是將多種方法組合使用，從而找到更理想的預處理方法，同時組合法還可以實現(xiàn)單一方法所不能實現(xiàn)的處理效果。

Dong 等[24]采用蒸汽爆破、氫氧化鉀和過氧化氫組合處理棉稈樹皮纖維，除去了纖維中約87%的半纖維素和45%的木質(zhì)素，使纖維細度值顯著降低，同時大大提高了纖維的梳理率，從30%提高到69%。Hou等[25]利用蒸汽爆破法和堿預處理法對棉稈韌皮纖維進行預處理并制備復合材料，發(fā)現(xiàn)棉稈纖維表面積和纖維素含量均增大，復合材料的力學性能更加優(yōu)異。Liu 等[26]用堿、硅烷和NaOH-硅烷溶液組合處理玉米莖纖維，然后表征玉米莖纖維的化學性質(zhì)、表面形態(tài)、力學性能和熱穩(wěn)定性。表面處理改善了玉米莖纖維的化學和力學性能。在表面處理之后，纖維具有較粗糙的表面。能量色散X 射線光譜(EDX)和FTIR 分析證實，表面處理去除了一定數(shù)量的半纖維素、天然纖維表面的木質(zhì)素和果膠。XRD 分析結(jié)果表明，表面處理對天然纖維的結(jié)晶度有積極影響。還發(fā)現(xiàn)處理過的玉米莖纖維的力學性能和熱穩(wěn)定性得到改善。

預處理成功地去除了天然纖維中某些親水性最強的成分和雜質(zhì)，如木質(zhì)素、半纖維素等，從而使纖維與樹脂基體復合時有更好的黏合性。通過對天然纖維進行預處理，可在一定程度上提高天然纖維作為增強體的復合材料力學性能。

2 天然纖維化學改性方法

由于天然纖維具有較強的親水性，吸濕會導致纖維與樹脂基體之間發(fā)生分層，從而使纖維與樹脂基體的相容性、黏附性變差，導致復合材料的力學性能較低。纖維和基體的界面是復合材料的核心，良好的結(jié)合對復合材料性能是至關(guān)重要的。利用化學方法對纖維進行改性，通過化學處理引入了使纖維和基體更好結(jié)合的新基團，纖維化學改性包括酯化、接枝、偶聯(lián)劑處理等。

2.1 酯化改性

酯化改性可使天然纖維發(fā)生塑化，同時取代細胞壁的聚合物羥基，使纖維的親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，從而使纖維和聚合物的界面黏附性得到改善。酯化試劑一般為乙酸酐、馬來酸酐、丙酸酐等低分子羧基化合物。

Xu 等[27]采用熱壓法制備聚丁二酸丁二酯(PBS)/竹纖維復合材料，采用NaOH 溶液預處理竹纖維，然后使用乙酸和硫酸催化竹纖維乙酰氧基化2 h。竹纖維的乙酰氧基化增強了竹纖維與PBS之間的結(jié)合，提高了復合材料的熱穩(wěn)定性和力學性能。經(jīng)酯化處理的PBS/竹纖維復合材料的實驗結(jié)果與分子動力學模擬技術(shù)的預測結(jié)果吻合較好。Zaman 等[28]采用壓縮模壓法制備了香蕉空果束纖維增強聚丙烯復合材料。研究了酯化處理對復合材料性能的影響。結(jié)果表明，堿預處理后再進行酯化反應的復合材料界面剪切強度和力學性能優(yōu)于僅堿處理和未處理的復合材料。差示掃描量熱和TG分析表明，與純聚丙烯相比，酯化后復合材料的穩(wěn)定性有所提高，熱偏轉(zhuǎn)溫度和可燃性也有所改善。吸濕測試表明，酯化后復合材料的吸水性比僅堿處理和未處理的都要低。Hamdan 等[29]向聚乳酸(PLA)/稻殼粉(RHP)復合材料中添加馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)和馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)。研究結(jié)果表明，較高質(zhì)量分數(shù)的RHP導致拉伸和彎曲性能下降，MAPP處理的復合材料的拉伸和彎曲性能都優(yōu)于MAPE處理的復合材料。

2.2 接枝改性

接枝改性可使纖維表面接上某些烯類單體的共聚體，從而可以提高纖維固有特性并賦予一些新功能[30]。在天然纖維接枝改性實驗研究的早期，不少研究者都在該領(lǐng)域撰寫過綜述文章和論著。

Bakar 等[31]對洋麻纖維進行甲基丙烯酸甲酯接枝改性，制備了聚氯乙烯/乙烯-乙酸乙烯酯共聚物/紅麻纖維復合材料，發(fā)現(xiàn)復合材料的性能得到提高。Wang 等[32]將氧化石墨烯(GO)接枝到經(jīng)過堿處理的竹纖維(ABF)表面上，然后使用微注射成型技術(shù)制備GO-ABF 增強聚丙烯復合材料。系統(tǒng)地研究了GO-ABF 表面的化學性能以及復合材料的力學性能。結(jié)果表明，GO 片材成功地接枝到了ABF 的表面，并且GO 與ABF 之間發(fā)生了氫鍵相互作用。與未處理的竹纖維增強聚丙烯復合材料相比，GO-ABF增強聚丙烯復合材料的拉伸強度和彎曲強度均得到提高。Singha 等[33]以硝酸鈰銨為氧化還原引發(fā)劑，在空氣中進行了丙烯腈與龍舌蘭纖維的接枝共聚反應。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接枝反應提高了纖維的熱穩(wěn)定性，纖維在極性溶劑中的溶脹性能和吸濕性能隨接枝率的增加而降低，而在CCl4中的溶脹性能和耐化學藥品性隨接枝率的增加而提高。

2.3 偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑使纖維與基體區(qū)域間的界面附著力增強，力學性能提高，并改善潤濕性能；同時天然纖維表面存在微孔，偶聯(lián)劑在這些微孔上起到表面涂層的作用，使復合材料的綜合性能得到提高[34]。硅烷偶聯(lián)劑中的雙官能團借助硅氧烷元素在纖維和基體材料的兩種不同相之間形成化學連接，進而得到性能優(yōu)異的復合材料[35]。

Zahari 等[36]用乙烯基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑改性桄榔纖維，發(fā)現(xiàn)改性后纖維在聚丙烯基體中分散得更好，硅烷偶聯(lián)劑改性降低了復合材料的吸水性，改善了復合材料的力學性能。Orue 等[37]先對劍麻纖維進行NaOH 溶液預處理，再用KH-900 硅烷偶聯(lián)劑改性劍麻纖維，發(fā)現(xiàn)改性后劍麻纖維增強聚乳酸復合材料的力學性能大大提高。He等[38]對苧麻纖維進行氨基硅油改性，提高了纖維的疏水性，同時也改善了纖維與聚丙烯界面相容性，使改性后復合材料的力學性能得到提高。Arrakhiz等[39]用三甲氧基硅丙胺硅烷偶聯(lián)劑與丙酮處理椰殼纖維增強高密度聚乙烯復合材料，發(fā)現(xiàn)處理后復合材料的拉伸彈性模量和扭轉(zhuǎn)彈性模量顯著增加。Matykiewicz等[40]對亞麻、棉花和大麻纖維用5% 氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)和乙醇處理180 min后，發(fā)現(xiàn)處理后的纖維具有更可靠的熱特性和更高的抗?jié)裥阅?。硅烷處理的大麻纖維具有更高的熱降解溫度

2.4 界面填充改性

在天然纖維表面添加填料和無機粒子，可提高復合材料性能。當加入納米無機物時，納米無機物均勻牢固地吸附在天然纖維增強體上，其較高的比表面積有利于填充物與樹脂基體之間的潤濕作用，從而可以提高復合材料的剛性和尺寸穩(wěn)定性。填料和補強材料能夠限制復合材料內(nèi)部的相對滑移，使應力能在界面間有效傳遞。

Arulmurugan等[41]通過添加納米粘土和黃麻纖維與聚酯樹脂進行混合。研究結(jié)果表明，添加5%的納米粘土和15%的黃麻纖維可提高復合材料的力學和振動性能。對樣品進行的實驗模態(tài)分析表明，納米粘土和黃麻纖維的加入提高了固有頻率和阻尼比，得到的固有頻率與理論結(jié)果吻合良好。

經(jīng)化學改性的纖維親水性羥基被消除，形成的新基團與聚合物基體又可以形成有效的偶聯(lián)，并進一步表現(xiàn)出其化學結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)形貌的變化[42]；經(jīng)過各種化學改性的天然纖維通過減少吸濕行為和增強與基體的界面附著力來降低纖維親水性，從而使纖維與樹脂基體的相容性、黏附性等得到提高，從而使復合材料的力學性能得到提高。

3 不同樹脂基體的天然纖維增強熱塑性復合材料研究進展

3.1 聚酯類

聚酯適用于復合材料的制備，因為它很容易黏附在薄片或纖維上。聚酯基體具有較高的導電性、吸濕性、尺寸穩(wěn)定性，同時加工性能、生物相容性均較好，并且無毒無害，但是降解時間不易控制，阻隔性較差，力學性能不能滿足所需的要求。

Fang等[43]采用壓縮成型方法制備了PLA/黃麻纖維可降解層壓復合材料。為研究和比較不同結(jié)構(gòu)設(shè)計對PLA/黃麻纖維層合板的影響，對其力學性能和熱力學性能進行了詳細分析。結(jié)果表明，分層順序和PLA/黃麻纖維層數(shù)對復合材料的力學性能有顯著影響，復合材料拉伸和彎曲強度隨黃麻纖維層數(shù)的增加而增加。Joseph 等[44]以劍麻纖維和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)為原料，通過注射成型制備出具有較好力學性能、熱性能和吸水性能的復合材料。對劍麻纖維進行化學處理，可以使PET/劍麻纖維復合材料的界面粘附力增強。

3.2 聚烯烴類

聚烯烴具有成本低、產(chǎn)量大、密度小、化學穩(wěn)定性好、易于加工和回收等優(yōu)點，以聚烯烴樹脂為基體來制備天然纖維增強熱塑性復合材料，可以使復合材料具有更好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。

Seculi 等[45]制備了蕉麻纖維(AF)增強生物聚乙烯(BioPE)和高密度聚乙烯復合材料，發(fā)現(xiàn)當AF質(zhì)量分數(shù)等于或高于40%時，以BioPE為基體的復合材料的力學性能略高于以高密度聚乙烯為基體的復合材料。復合材料的拉伸彈性模量與AF 含量呈正相關(guān)。Wang 等[46]以平紋和斜紋兩種方式編織竹纖維，采用熱成型工藝制備了竹纖維增強聚丙烯復合材料并研究復合材料的力學性能。發(fā)現(xiàn)堿處理后的復合材料的拉伸強度優(yōu)于未處理的，強度和模量在縱向上約為未處理的兩倍，而在橫向上與未處理的大致相同。在濕熱老化試驗中，復合材料對水分高度敏感，水分會降低復合材料的力學性能。Chegdani 等[47]采用正交切削試驗對單向亞麻纖維增強聚丙烯(PP/UDF)復合材料進行了機械拉伸和剪切試驗。結(jié)果表明，PP/UDF 復合材料在所有考慮的切削條件下都能產(chǎn)生連續(xù)的切屑。PP/UDF復合材料的特定切削與熱塑性基體的力學性能以及亞麻纖維的高橫向彈性有關(guān)。

3.3 聚酰胺類

聚酰胺(PA)是一種具有高加工黏度的樹脂，以纖維增強PA 樹脂，可以使PA 獲得優(yōu)異的韌性、高比強度、高耐熱性、高比模量，但由于PA 難以滲透到纖維中，導致纖維與PA 基體之間的界面結(jié)合不良，因此容易形成空隙。

Alonsomontemayor 等[48]采用PA6 作為纖維增強復合材料的基體。為了評估產(chǎn)生的強界面相，對各種纖維進行了拉伸測試。結(jié)果表明，采用漂白硬木纖維增強PA6 復合材料，可以獲得比玻璃纖維增強聚烯烴更高的拉伸強度。所獲得的復合材料顯示了強界面相的存在。這些材料具有優(yōu)越的力學性能，同時具有可回收性和部分可再生性。Kashani等[49]采用陰離子原位聚合法制備了亞麻纖維織物和牛皮紙纖維素氈增強的熱塑性PA6復合材料，并對復合材料的物理力學性能進行分析。結(jié)果表明，在聚合溫度為150 ℃時，復合材料的力學性能最佳。提高聚合溫度(＞150 ℃)，由于纖維素對聚合反應的抑制作用增強，聚合物轉(zhuǎn)化率降低，氣孔含量增加，結(jié)晶度降低。Oliver-Ortega 等[50]制備了石磨木纖維增強PA11復合材料，對其力學性能進行分析，發(fā)現(xiàn)復合材料的拉伸強度得到提高，彎曲強度下降。Melo 等[51]用黃麻和亞麻植物纖維制備PA66 復合材料，并對天然纖維進行堿處理、硅烷化處理，為了降低PA66的加工溫度，將LiCl和N-丁基苯磺酰胺復配添加到純PA66中。研究表明，PA66的彈性模量增加，斷裂應變減小。

3.4 聚甲醛類

聚縮醛是一種堅韌的彈性材料，具有較高的強度、剛性、疲勞強度和廣泛的使用溫度范圍，同時具有良好的電氣性能，并且在低溫下有很好的抗蠕變特性、幾何穩(wěn)定性和抗沖擊特性。

Espinach等[52]制備了天然纖維增強聚甲醛復合材料，該復合材料表現(xiàn)出良好的拉伸性能，其性能高于相同纖維量的聚丙烯基復合材料。但由于界面的摩擦力和相容性較差，導致纖維和聚甲醛之間的化學相互作用很低。復合材料的拉伸強度與未偶聯(lián)的玻璃纖維增強聚丙烯復合材料相當。Dan-Mallam 等[53]對短而連續(xù)的紅麻纖維增強聚甲醛復合材料進行研究。發(fā)現(xiàn)紅麻纖維增強聚甲醛復合材料的拉伸強度比純聚甲醛的拉伸強度有所增強，連續(xù)紅麻纖維增強聚甲醛復合材料的彎曲強度提高了約20%。Woigk等[54]制備了亞麻纖維增強聚甲醛復合材料，發(fā)現(xiàn)較堅韌的復合材料既具有較高的橫向剛度，又具有良好的強度，甚至可以通過使用分層結(jié)構(gòu)的聚甲醛來克服蠕變的缺點。

3.5 淀粉類

淀粉具有非常高的親水性，因為這些羥基在大分子內(nèi)部以及與周圍環(huán)境中相鄰的水分子間都有形成氫鍵的傾向。添加增塑劑可以破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，使淀粉更像熱塑性材料，從而提高淀粉的柔韌性，增塑劑附著在淀粉主鏈上，阻止淀粉主鏈靠得更近，避免形成致密的剛性結(jié)構(gòu)。

Saetun 等[55]使用橡膠木鋸末作為增塑劑制備熱塑性淀粉復合材料。結(jié)果表明，木屑(6%纖維含量)的添加可使材料的拉伸強度從0.3 MPa 提高到1.2 MPa，纖維素(12%纖維含量)的添加可使材料的拉伸強度達到0.8 MPa。纖維含量達到12%時，材料斷裂伸長率下降，吸水率也顯著下降。Edhirej等[56]以果糖作為淀粉增塑劑，制備了木薯甘蔗渣和糖棕櫚纖維增強木薯淀粉復合材料。木薯甘蔗渣的存在提高了復合材料的吸水率，但糖棕櫚纖維的加入使僅含木薯甘蔗渣復合材料的吸水率從300%左右降至100%以下，而添加8%糖棕櫚纖維時，復合材料的吸水率為100%左右。

3.6 其它

Shao等[57]以木纖維、竹纖維、稻殼為原料，制備了輕質(zhì)聚氨酯保溫材料。由于天然纖維添加量的增加，使聚氨酯基體的壓縮強度顯著提高。熱穩(wěn)定性分析表明，與純聚氨酯泡沫相比，加入天然纖維的保溫材料難以分解，炭渣含量高。da Costa 等[58]以蓖麻油聚氨酯為原料，經(jīng)長棉纖維增強制備了一種新型環(huán)保復合材料，并對其進行測試分析。發(fā)現(xiàn)該新型復合材料的彎曲彈性模量優(yōu)異，長棉纖維增強聚氨酯復合材料具有較強的彈性。Nayak 等[59]對檳榔鞘纖維進行了表面處理，并且采用注射成型工藝制備聚氯乙烯(PVC)復合材料。TG 分析發(fā)現(xiàn)，與純PVC 基體相比，復合材料的熱穩(wěn)定性得到提高。復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的生物降解性能，其生物降解性隨著檳榔纖維含量的增加而增加。Adeniyi等[60]采用木屑增強聚苯乙烯復合材料，并研究了木屑填料質(zhì)量分數(shù)、填料尺寸和NaOH 濃度對復合材料的力學性能和熱性能的影響。結(jié)果表明，在填料質(zhì)量分數(shù)為30%、填料尺寸為841μm和NaOH濃度為4%的工藝條件下，復合材料的力學性能得到了顯著改善。在填料質(zhì)量分數(shù)為30%時，復合材料的熱性能有顯著改善。

4 天然纖維增強熱塑性復合材料的成型工藝研究進展

4.1 熔融浸漬法

熔融浸漬法具有成本低廉、揮發(fā)分含量低、無污染、孔隙率低、能高效穩(wěn)定地生產(chǎn)等優(yōu)點，特別適用于結(jié)晶性熱塑性聚合物的成型，但其對儀器設(shè)備要求高，預浸料浸漬時間短，熱塑性樹脂基體對增強纖維的浸潤性和滲透性較差。

龍洪生等[61]采用熔融浸漬法制備黃麻長纖維增強聚乙烯復合材料，發(fā)現(xiàn)黃麻纖維的長度穩(wěn)定，并使復合材料力學性能得到提高。劉常衡等[62]采用熔融浸漬法制備亞麻纖維增強PLA 預浸帶，研究了連續(xù)亞麻纖維及增容劑對預浸帶性能的影響。力學性能分析表明，連續(xù)亞麻纖維及增容劑對PLA材料的增強效果明顯。動態(tài)力學性能分析表明，連續(xù)亞麻纖維增強PLA 預浸帶的儲能模量較PLA 顯著提高，且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高。

4.2 薄膜層疊法

薄膜層疊法工藝簡單，生產(chǎn)效率高，制備的材料質(zhì)量好，但是成型所需溫度高、時間長、壓力大，成型條件較為苛刻，且只用于模壓制品的加工，加工工藝受限。

Dun 等[63]采用薄膜層疊法成功開發(fā)了一種熱塑性滲透天然纖維帶，用于長絲纏繞。用高密度聚乙烯浸漬不連續(xù)的劍麻纖維束，然后通過熱壓連接成連續(xù)的預浸料。通過掃描電子顯微鏡和FTIR對纖維表面微觀結(jié)構(gòu)和預浸料界面結(jié)合進行分析，發(fā)現(xiàn)與NaOH 處理相比，偶聯(lián)劑處理對纖維束的損傷較小。

4.3 粉末浸漬法

粉末浸漬法工藝簡單、成本低廉、浸漬速度快，適合批量生產(chǎn)，可以使熱塑性樹脂基體分子質(zhì)量損失得小，但對熱塑性樹脂粉末粒徑要求嚴苛，粉末制備難度較大，同時易形成孔隙，導致制品缺陷，并且易造成污染。

McGregor 等[64]采用虹吸系統(tǒng)的粉末浸漬裝置涂覆亞麻紗線，將一種Vestosint 2157 PA12粉末-水漿料混合物泵入浸漬頭，使用磁力攪拌器保持攪拌。亞麻紗被拉進彎曲的溝槽中，產(chǎn)生壓力以幫助浸漬。

使用天然纖維、可回收熱塑性聚合物和粉末浸漬工藝，避免了有機溶劑的使用，用這種方法生產(chǎn)的復合材料平均拉伸強度和拉伸彈性模量都得到了提高。

4.4 溶劑浸漬法

溶劑浸漬法工藝簡單、成本低廉，但是具有局限性，如溶劑回收費用昂貴、復合材料孔隙含量高，同時不環(huán)保，危害人體健康，對于結(jié)晶性熱塑性樹脂難以適應。

梁行[65]利用溶劑浸漬法制備連續(xù)劍麻纖維/玄武巖纖維預浸漬料，選取二氯甲烷作為溶劑，配置PLA溶液浸漬纖維得到預浸漬纖維層，并制備復合材料，發(fā)現(xiàn)纖維增強PLA層壓復合材料的力學性能得到提升。Xia等[66]將經(jīng)過堿處理的洋麻纖維浸入氯化鎂溶液中，然后用碳酸鈉處理，得到處理的纖維。與未處理的纖維增強聚酯復合材料相比，高壓處理的洋麻纖維增強聚酯復合材料的力學性能得到提高，24 h厚度溶脹和吸水率均降低。

4.5 纖維混雜浸漬法

纖維混雜浸漬法易于控制基樹脂體含量，能使纖維得到充分浸潤，由此獲得的制品尺寸穩(wěn)定性高，并且可以生產(chǎn)形狀復雜的制品，缺點是使纖維易受到屈曲和斷裂損傷，并且工藝復雜、生產(chǎn)成本高。

許惠虹[67]采用包覆紗法和混編工藝制作了不同的預型件，并制備復合材料，發(fā)現(xiàn)兩種不同預混法的織物預型件的基本性能相近，混編法制備的復合材料綜合性能不如包覆紗法制備的復合材料。王德高等[68]將亞麻纖維作為增強體，與聚丙烯長絲混合，采用薄膜層疊法和混纖法制備亞麻纖維增強聚丙烯復合材料，發(fā)現(xiàn)薄膜層疊法制備的板材比混纖法制備的彎曲性能好。

4.6 模壓成型工藝

Sabri等[69]通過模壓成型制造了洋麻芯纖維-石墨烯納米片增強聚丙烯(PP/KCF/GNP)復合材料。研究不同量的MAPP 對PP/KCF/GNP 復合材料力學性能的影響。結(jié)果表明，MAPP增容劑的存在提高了洋麻芯纖維和聚丙烯基體之間的界面黏附性，從而使復合材料的力學性能得到提高。

4.7 注射成型工藝

注射成型生產(chǎn)效率高，成型周期短，能一次成型，成本相對較低。Neher等[70]采用注射成型工藝制備了棕櫚纖維增強丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料復合材料。結(jié)果表明厚端棕櫚纖維比細端棕櫚纖維具有更高的熱穩(wěn)定性。由于聚合物基體的降解，制備的復合材料熱降解只發(fā)生在一個階段。

5 應用

由于天然纖維增強熱塑性復合材料具有環(huán)保、輕量化、良好的力學性能、消聲和減振等優(yōu)點，已被廣泛應用。然而，它們的低耐久性可能使它們無法在管道、船只和皮劃艇等潮濕區(qū)域替代玻璃纖維增強復合材料。以天然木粉為填充材料的木塑復合材料是目前研究較早的天然纖維增強熱塑性復合材料。這類木塑復合材料主要用于建筑材料，如室外鋪裝、公園座椅、護欄、室內(nèi)裝飾板、建筑模板等。

以韌皮纖維為增強材料的天然纖維增強熱塑性復合材料在汽車工業(yè)中有大量的應用。奔馳、寶馬、奧迪、大眾等汽車制造商對天然纖維增強熱塑性復合材料的使用走在了世界前列。主要產(chǎn)品包括車門內(nèi)板、行李箱、頂棚、座椅靠背板、衣架、儀表板等。福特在各種車型的前格柵中使用大豆泡沫座椅、生物基坐墊和大麻纖維復合材料。同樣，梅賽德斯-奔馳也將黃麻纖維復合材料用于汽車內(nèi)飾板，亞麻纖維復合材料用于貨架和后備箱蓋。與合成復合材料相比，天然纖維增強熱塑性復合材料的使用使質(zhì)量減輕了大約10%，能耗降低了80%。豐田在輪胎套中使用紅麻纖維，在汽車座椅中使用大豆泡沫，在內(nèi)飾、工具箱區(qū)域和包裝托盤中使用聚丙烯/PLA 基生物復合材料。由于環(huán)保標準、汽車輕量化的要求以及材料可回收性的提高，使得歐洲汽車工業(yè)對天然纖維的需求在過去幾年中呈線性增長，這種需求在未來將繼續(xù)大幅增長。同時由于天然纖維增強熱塑性復合材料在汽車市場上的使用迅速增長，高密度玻璃纖維正在被低密度天然纖維增強熱塑性復合材料所取代，輕量化車輛減少了所需的燃料量，從而減少了二氧化碳的排放[71]。

天然纖維增強熱塑性復合材料在家用電器外殼上也有一定的應用。產(chǎn)品主要包括手機殼、筆記本外殼、小型電器外殼。大多數(shù)使用的樹脂基體是普通的熱塑性樹脂。目前的趨勢之一是使用生物樹脂基體和天然纖維來制造手機和電腦外殼。天然纖維增強熱塑性復合材料在紡織工業(yè)中有巨大的潛力，用于制造繩索、袋子和衣服。天然纖維增強熱塑性復合材料也被用于醫(yī)療防護用品，如嬰兒尿布、女性衛(wèi)生用品、成人失禁用品、膏藥等。

天然纖維增強熱塑性復合材料的另一個新的應用領(lǐng)域是包裝材料。幾乎所有用于包裝材料的樹脂都是可生物降解樹脂，價格相對昂貴。在生物降解樹脂中加入天然纖維，可以顯著降低材料成本，還可以在不影響材料可降解性的情況下，提高材料的強度、剛度和熱變形溫度。

6 結(jié)語

天然纖維種類繁多、價格低廉、來源廣泛，同時天然纖維以及天然纖維增強熱塑性復合材料又具有較高的經(jīng)濟價值。在復合材料中使用天然纖維有助于減少合成纖維的使用，合成纖維是不可再生的，大量廢棄的合成纖維對環(huán)境有負面影響。但是天然纖維增強熱塑性復合材料界面黏附性較差，需要通過纖維預處理和改性來提高纖維與樹脂的相容性，每種處理方式都有著不同的作用機理和不同的效果。從目前狀況來看，與合成纖維增強熱塑性復合材料相比，天然纖維增強熱塑性復合材料在某些性能方面存在一些差距，需要進一步改善天然纖維表面處理方法和改性技術(shù)，從而提高纖維與樹脂基體間的界面黏附性，改善復合材料的力學性能。同時，也需要研發(fā)更加高效果、低成本的復合材料成型技術(shù)，從而使天然纖維資源更加高效地循環(huán)利用。