麻纖維增強熱塑性復合材料的研究與應用

鄭科，段盛文，成莉鳳，馮湘沅，劉正初，彭源德

（中國農業科學院麻類研究所，長沙410205）

麻纖維增強熱塑性復合材料的研究與應用

鄭科，段盛文，成莉鳳，馮湘沅，劉正初，彭源德*

（中國農業科學院麻類研究所，長沙410205）

麻纖維應用于以熱塑性樹脂為基體的復合材料中，具有比模量和強度高、連續性長、耐磨、質量輕、再加工性能好、可降解等優點，所制成的復合材料在包裝、汽車、建材、家居等行業具有廣泛的應用前景。文章對麻纖維復合材料的原料、復合工藝、界面機理、性能改進和產品應用等方面的研究進展進行了綜述，并對存在的問題和發展方向進行了初步探討。

麻纖維；增強體；樹脂基；熱塑性復合材料；應用

全球塑料使用量的增加帶來的生態壓力以及石油資源的不可持續性，使生物質材料的研究利用發展迅速，生物質—聚合物復合材料則被認為是最有發展前景的材料之一［1－3］。與木材等其它生物質原料相比，麻類植物生態適應性強、資源利用率高、生長快、產量大、纖維品質好、種類豐富。麻纖維—熱塑性樹脂復合材料一般具有比強度高、比模量高、抗沖擊性能好、連續長度長、密度小、耐磨、加工性能好、可生物降解、可完全回收利用等優點，在建筑、家居、汽車、包裝等多個行業具有良好的應用前景，國際上對此開展了廣泛和深入的研究［3－7］。美、歐、日、東南亞等國家地區和國內多個林、農、紡織、化工類院校及科研院所均有相關報道。麻纖維增強熱塑性復合材料（即麻纖維—熱塑性樹脂復合材料）種類多、功能廣、工藝多變，較全面的綜述性報道少。本文嘗試從原料、復合工藝、界面機理、性能研究和應用現狀等方面，對麻纖維增強熱塑性復合材料的研究與應用進展進行歸納匯總和概念闡述，并初步探討發現的問題，展望其研究方向和發展趨勢。

1 原料

麻纖維增強熱塑性復合材料是用麻纖維做為增強體（分散相），以熱塑性樹脂為主要基質（連續相），再加入少量改性劑、添加劑，經混合、熔融或層疊，兩相間通過物理和化學途徑有機結合，再擠出、注射或壓制而成型的粒料、板材或其他型材。實際上，隨著生產加工過程中原料配比的各種變化，目前已經無法從整體上區分纖維和樹脂哪種成分是復合材料的主要基質。

1.1 麻纖維

自上世紀40年代以來，亞麻、大麻、椰殼麻、劍麻等麻纖維就被納入到生物質復合材料的研究范圍［3－4］。目前，部分研究和標準仍然將麻纖維復合材料歸入到廣義的木質纖維復合材料（即木塑材料）中，故本文參考的部分文獻內容涉及的木塑材料，其中包含了麻塑材料（即麻纖維—樹脂復合材料）。

麻類作物是人類最早利用和栽培的作物之一，其種植歷史至少有數千年，且生長地域廣闊［8－9］。麻類作物種類繁多［10－11］，習慣上把麻類分為兩大類：韌皮纖維（bast fibers）類，如大麻（hemp）、亞麻（flax）、苧麻（ramie）、紅麻（kenaf）和黃麻（jute）等；葉纖維（leaf fibers）類，如劍麻（sisal）、菠蘿葉（pineapple leaf）和蕉麻（abaca）等。此外，果實纖維中的椰殼纖維（coir）也被稱作椰殼麻。

純的麻纖維主要是纖維素，但絕大部分麻纖維即使經過脫膠（去除麻原料中大部分非纖維素物質的加工過程），其化學成分仍然包含半纖維素、木質素、果膠、脂蠟質和水溶物。纖維的化學成分結構因麻類植物的品種、生長環境、纖維的部位和纖維提取工藝的不同而不同，纖維不同的組成和結構直接影響其功能特性，從而影響其在復合材料上的應用。根據工藝和產品的不同要求，用于復合材料增強體的麻原料，既可以是脫膠后比較純凈的纖維，也可能是未經過脫膠的韌皮甚至植株全桿。表1是不同麻纖維和玻璃纖維的性能比較［3，11－14］。

表1 不同麻纖維之間以及與玻璃纖維的性能比較Tab 1 Mechanical properties of fibrilia and E－glass fiber

比強度和比模量高，說明材料質量輕而強度和剛度大，這項優點符合眾多行業對材料的要求。部分麻纖維的比強度和比模量接近甚至超過玻璃纖維。即使麻纖維的部分力學性能不如玻璃纖維，但不同麻纖維的性能各有所長。因各種麻纖維及其不同特性復合材料的眾多優點，麻纖維被認為是復合材料中替代玻璃纖維等合成纖維的理想材料之一［3，7］。

苧麻是最長的麻類纖維，纖維木質化程度很低，拉伸強度高，韌性、導熱性、通氣性和抗菌能力良好。我國苧麻產業比較發達，利用苧麻纖維或麻桿制備復合材料的研究較多［15－17］。電鏡觀察表明，黃麻工藝纖維間有空隙，單纖維中有細胞腔，呈多孔結構，是良好的熱絕緣體和吸聲材料。黃麻纖維的特殊結構和化學成分使黃麻纖維復合材料具有強力大、吸濕好、耐腐蝕性強、抗靜電和隔音等優點［18］。劍麻纖維直徑較大，研究人員分別對以劍麻纖維、稻草、木材為原料的復合材料進行比較，結果顯示無論在抗拉強度還是抗壓強度上，劍麻纖維復合材料都比其它復合材料的高，且在內部形成更強氫鍵的空間網狀結構。劍麻纖維價格相對便宜，約為玻璃纖維的1／9～1／4、碳纖維的1／500［11，19，20］。亞麻落麻產量可占全部亞麻纖維的30% ～40%，價格低廉，但其纖維長度、細度、硬度、均勻性較差，導致其紡織的可加工性差。用于開發復合材料，則是亞麻落麻較好的應用方向［21］。麻纖維復合材料中的增強體原料通常有粉末原料、中短麻纖維、麻氈和麻織物4種形式。

1.2 熱塑性樹脂

樹脂基體與麻纖維增強材料兩類材料組合，共同構成麻纖維增強樹脂基復合材料，簡稱麻纖維復合材料?；w樹脂將各種纖維增強材料黏合到一起，賦予其一定性能，起到傳遞和平衡載荷的作用，使麻纖維和樹脂成為具有更高級更豐富的功能特性的工業原料或產品。樹脂基體的選擇對于麻纖維特性的發揮和復合材料的綜合性能有關鍵性影響。

熱塑性復合材料即熱塑性樹脂基復合材料，加熱到一定溫度后會軟化熔解，再塑造成型，冷卻后能保持成型的形狀，該過程可反復進行。熱塑性復合材料最早出現于上世紀中葉，美國用短纖維作為増強體制備的聚丙烯（PP）復合材料，隨后于80年代迅速發展［22］。熱塑性樹脂有聚烯類、聚碳酸酯類和熱塑性聚酯類。因成本價格和應用規范限制等原因，在復合材料中應用最廣泛的是聚乙烯（PE）、聚丙烯、聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS）。耐熱型樹脂有聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜（PES）和聚醚酰亞胺（PEI）等［23］。

與熱固性樹脂基復合材料相比，多數情況下，熱塑性復合材料具有高韌性、高抗沖擊和損傷容限、擠出和注塑成型周期短、生產效率高、易修復焊接、可回收再利用等眾多優點［23－24］。熱塑性復合材料抗沖擊性能、抗損傷能力、耐腐蝕能力、耐水性等主要依賴于樹脂基體的韌性、化學穩定性、非極性等性質。樹脂的熔融指數、密度和成型溫度是影響復合材料性能和加工工藝的重要參數。通常，熔融指數越低，其熔融黏度越高，流動性就越差，不能充分浸潤纖維。熱塑性樹脂的成型溫度不超過 420℃［13］。

完全可降解樹脂是當前的研究熱點。其中研究較多的是聚酯類聚合物，其分子主鏈的結構單元之間以易水解的酯鍵連接，因此易被自然界中的微生物及動植物體內的酶降解或代謝，最終生成二氧化碳和水。這類聚合物主要包括聚乳酸（PLA）、聚己內酯（PCL）、聚琥珀酸丁二酯（PBS）和聚乙醇酸（PGA）等。其它可降解聚合物類型包括聚醚酯、聚酰胺、聚膦腈、聚碳酸酯等?？山到鉄崴苄缘矸郏═PS）雖然不能完全歸于樹脂類聚合物，但熱塑性淀粉復合材料的研究方法與熱塑性樹脂復合物類似。

1.3 改性劑和添加劑

復合工藝過程中添加界面改性劑能使樹脂與纖維表面產生更強的界面結合，同時降低纖維吸水性，提高纖維與樹脂相容性及分散性，從而提高復合材料的力學性能。界面改性劑主要有：硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、異氰酸酯類等偶聯劑；馬來酸酐接枝聚丙烯（MAPP）、馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE）、馬來酸酐接枝聚苯乙烯（MAPS）和乙烯—丙烯酸酯共聚物（EAA）等相容劑；乙酸酐（或與冰乙酸、硫酸的混合液）和烯酮等乙?；男詣?5－26］（見3.3）。

制備熱塑性復合材料的其它各種添加劑歸納起來有：提高穩定性的抗氧化劑、光穩定劑、熱穩定劑、防霉劑等；改善加工性能的增塑劑、潤滑劑、脫模劑等；改進表面性能和外觀的抗靜電劑、著色劑、熒光增白劑等；提高耐熱性的阻燃劑以及發泡劑等其他功能添加劑。

2 復合工藝

目前，麻纖維復合材料的制備工藝主要參照木塑復合材料的3種工藝路線，主要用到混合機、粉碎機、干燥機、開煉機、密煉機、注射機、硫化機、擠出機等機械設備。

2.1 擠出成型工藝

擠出成型工藝可分為直接擠出的一步法和先造粒后成型的兩步法。一步法，是物料在擠出機內被混勻塑練后，通過所需形狀的模具部件（即模頭）擠出，得到成型產品或半成品，該方法對擠出機和物料的要求較高。大多數生產中采用兩步法，即以復合材料粒料（即麻塑粒子）為原料，采用擠出工藝進行成型生產［27］。擠出成型對于加工溫度、時間和壓力都有嚴格要求：溫度過高或停留時間過長會燒糊纖維；溫度過低或停留時間過短，會使塑化效果不好；機頭壓力過大，使制品擠出困難，容易堵料；機頭壓力過低，則影響制品強度，成型效果不好。

2.2 熱壓成型工藝

熱壓成型又稱模壓成型，可制備一定規格的不連續板材。熱壓成型與擠出成型的基本工藝均為傳統的塑料制品生產工藝。該工藝過程主要是將纖維原料（或纖維經加工而成的織物或氈）與樹脂混合均勻后，再進行熱壓。影響熱壓制品性能的因素有原料種類、形態、比例、添加劑、熱壓參數等。模壓成型需要高壓壓力機和高強度、高精度的金屬模具。該工藝主要優勢是工藝和操作相對簡單，生產效率高，產品外觀平整，尺寸精準，制品重復性好［28］。

麻纖維在作為增強體進行熱壓之前可以預加工成具有一定形狀和強度的各種坯料。預加工工藝有針刺法、化學粘合法、針織法和機織法等［18，29］。將浸潰或涂有樹脂的片材層疊，或纖維（織物或氈）與熱塑性樹脂膜交替堆積鋪放，組成疊合體，在一定溫度和壓力的條件下，進行的熱壓成型工藝，也稱層壓成型工藝。如劉麗妍等［30］以亞麻纖維和纖維狀PP為原料，先將其織成亞麻纖維—PP布，再將交織布通過疊合熱壓的方式制備亞麻—PP復合材料板。

2.3 注射成型

注射成型工藝是將原料加熱到固化狀態，然后借助壓力將其由注塑機注入到模具而得到產品。與擠出成型工藝類似，注射成型工藝對溫度控制和粒料流動性的要求較高。兩步法的造粒過程對物料進行了二次混合，提高了纖維在樹脂基體中的分散性［27］。隨著注射技術的進步，該工藝已形成加工速度快、效率高、成型外形準確、成型自動化等特點。目前注塑成型主要包括氣體輔助注塑、低壓注射反應注塑、多點進料注塑、層狀注塑和結構發泡注塑等技術［28］。對大麻纖維—PP復合材料注塑工藝的研究中，通過考察纖維長度和細度對注塑工藝和制品性能的影響，表明大麻纖維復合材料的綜合力學性能比玻璃纖維復合材料有較大提高［27］。

3 性能研究和界面機理

3.1 性能研究與影響因素

3.1.1 力學性能

麻纖維復合材料在應用前需要研究其各方面的理化性能，最基本的內容是力學性能，主要包括彎曲性能、拉伸性能和沖擊性能。麻纖維復合材料研究較多的指標有彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、沖擊強度和斷裂伸長率等［27－29，31］。彎曲性能可參照國標GB／T 1449－2005或美國材料與試驗協會標準ASTM D790－03，以及 GB／T 2567－2008、GB／T 3356－1999、GB／T 9341－2000等，測定材料的彎曲強度、靜曲強度和彎曲彈性模量。沖擊性能可參照GB／T 1843－2008或GB／T 16420－1996、GB／T 17657－1999等，測定沖擊強度、沖擊韌性等。拉伸性能可參照GB／T 1447－2005或ASTM D638－03、GB／T 1040－2004等測試拉伸強度、斷裂伸長率、拉伸彈性模量。研究中一般會采用混煉機、平板硫化機、萬能試驗機、沖擊試驗機等儀器設備。

影響麻纖維復合材料力學性能的因素較多，主要有：纖維選擇，包括纖維種類、收獲時間、提取方法、形態部位、含量和預處理等；基體樹脂選擇；界面增容，包括纖維改性、樹脂處理、添加相容劑；復合制造工藝，包括成型方式、螺桿結構和轉速、擠壓溫度和時間等［28－29，32－34］。

3.1.2 熱性能和結晶性能

復合材料熱性能包括耐熱性、熔融性、熱流變性、熱穩定性、熱分解性、導熱性和熱膨脹性等方面，對制備工藝的加工溫度和時間等參數有重要影響，進而影響產品的力學性能和應用。影響復合材料熱性能的主要因素有原料、復合工藝、界面改性等多個方面。通過對不同復合材料熱性能指標的測定，可以考察麻纖維與樹脂基體的選擇和預處理、界面處理、成型工藝等方面對熱性能的影響［26］。復合材料的結晶性影響界面的結構形態及分散的均勻性，也就會影響材料的力學性能［35］。結晶性能變化體現在結晶度、結晶速率、結晶形態等方面，受原料、復合工藝、改性處理等影響。對復合材料熱性能和結晶性能研究一般采用差示掃描量熱法、熱重分析等方法測定其熔融黏度、熔融溫度、活化能、揮發物釋放、失重率和結晶度等指標。熔融指數可按照GB／T 3682－2000利用熔融指數儀測定。

3.1.3 其它特性研究

吸水性能：因大部分麻纖維具有親水性，吸濕性和吸水性研究對于麻纖維復合材料在潮濕環境和室外環境的應用有重要意義。一般是將復合材料浸泡在水中，研究纖維選擇和預處理、復合工藝、添加劑、環境溫度等對材料的吸濕性、吸水性和力學性能的影響。麻纖維原料的堿處理，使得纖維素更多的暴露出來，不利于復合材料吸水率的降低。而通過改性處理，去除麻纖維上的親水性羥基基團則可降低復合材料的吸水性［28］。

形態結構研究：表面和斷面形態分析主要是通過光學顯微鏡、掃描電鏡等觀察纖維在處理前后的表面形態，或復合材料斷面特點［28－29，36］；通過紅外光譜、核磁共振譜等表征復合或改性過程中官能團變化，進而推測材料結構的變化，并分析原因［26，29，37］。

此外，目前還有對麻纖維復合材料老化性能、導熱性、摩擦性能、電性能等方面的研究［26］。

3.2 界面作用機理

復合材料是由2種或多種不同性質和形態的原料通過一定的復合工藝組成的多相體系。多相體系的組合既保持各組成部分原有的主要性能，又往往具備原材料中沒有的新特性，這種復合效應要通過復合過程來達到。不同相之間的界面是纖維增強復合材料的關鍵結構。為了闡明復合材料的復合過程和影響復合效果的因素，界面作用機理的研究備受關注。

復合材料的界面結合力主要是機械結合力、范德華力、氫鍵等物理結合力，以及分散相通過化學鍵與基體相結合力，或通過偶聯劑的間接結合力。對界面作用機理的深入研究，從不同角度形成了多種理論推測：界面浸潤理論認為，界面結合處的填充材料被樹脂浸潤，與樹脂吸附產生范德華力，從而增加界面結合強度；化學鍵理論認為，界面處的纖維表面與樹脂中的基團互相反應可形成共價鍵或氫鍵等化學鍵，獲得一定的界面粘結力；可逆水解理論認為，當偶聯劑和纖維之間有水時，承受應力的化學鍵能可逆地斷裂與重新生成；界面擴散理論認為，粘合作用是由兩相分子（或鏈段）的相互擴散而形成內聚力將兩相連接起來；機械互鎖理論認為，粘結力的產生是由于粘結劑在凹凸不平的粗糙表面形成機械互鎖力，材料表面越粗糙，接觸面積越多，界面粘結力也越強［27，38］。

天然纖維素大分子的每一個重復單元都有3個羥基，所以在麻纖維復合材料中，纖維表面含有大量的羥基，是極性較大的親水性材料，而大部分樹脂為極性較小或非極性的疏水性材料，這種差異導致兩相相容性差，兩相的粘合較困難，由此直接形成的復合材料力學性能較低［16，29］。易路［28］認為，影響纖維增強復合材料界面粘合性能的4個因素是：纖維表面晶體，晶面越大則纖維越光滑，纖維的附著力和反應性越差；纖維的比表面積，表面能隨比表面積增大而增大，粘合強度也變大；表面浸潤性，樹脂的浸潤性越好，纖維表面機械鎖結越容易；殘余應力，樹脂與纖維的熱膨脹系數和彈性模量不同，溫度發生變化時產生殘余應力，復合材料就更容易受外界應力破壞。界面的作用不僅是將纖維和樹脂粘合為整體，而且還負責將應力載荷從樹脂基體轉移到纖維增強體，阻止裂紋的進一步擴散。

3.3 提高界面相容性的方法

樹脂基體與增強纖維之間的界面作用對復合材料性能影響顯著。提高界面相容性是提高麻纖維復合材料性能的重要途徑，主要通過對纖維表面處理、樹脂處理或添加相容劑的方法來實現。

3.3.1 纖維改性

麻纖維作為一種天然高分子化合物，在不同的應用中可能出現耐化學腐蝕性差、強力不夠高、尺寸穩定性差等不足之處。纖維的改性可使其獲得或提升某些性能，擴大應用范圍，提高價值。麻纖維的改性通常分為物理改性和化學改性。物理改性主要是通過改變纖維的表面結構而達到提高強度、增加粗糙度、去除影響粘結性的物質等改性效果，包括拉伸或壓延機械預處理、熱處理、輻射處理、超聲處理、放電處理和酸堿處理（同時纖維表面也發生一定的化學反應）等。

麻纖維化學改性方法主要有接枝共聚和交聯反應［16］。接枝：是指在復合前或復合的同時在纖維表面引入一些極性小分子（馬來酸酐、異氰酸鹽等），通過接枝共聚反應使得纖維表面產生一層有特殊性能的接枝聚合物層，從而増加了纖維與基體的粘著力，提高復合材料的力學性能［39］。交聯：即偶聯，主要通過偶聯劑與纖維形成共價鍵來改變界面粘合性；偶聯劑一端可以與纖維起化學反應或其他作用，另一端可溶解或擴散到樹脂中；常采用硅烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑等［40－41］。乙?；幚矸ǎ豪w維極性羥基基團經乙酸酐或烯酮等乙?；男詣┨幚砗?，被非極性的乙?；〈甚?，使纖維表面覆蓋疏水性基團，強化了纖維與樹脂之間的連接［25］。另外，低溫等離子處理是一種新型的改性技術，主要引起化學修飾、聚合、自由基產生和纖維的結晶度變化，該方法環保節能、處理時間短、作用顯著［40］。麻纖維化學改性處理手段一般為對纖維進行浸泡、噴灑、攪拌或混合。

3.3.2 樹脂處理和添加相容劑

在基體樹脂上引入極性單體而改變其極性，可形成既含有極性基團又含有非極性基團的化合物，如聚烯烴表面接枝馬來酸酐或丙烯酸。這類化合物即相容劑，主要有MAPP、MAPE和EAA等。這些相容劑的非極性基團端和樹脂部分相容，極性基團端則和纖維部分相容，在兩相之間起到橋梁作用。復合過程中，相容劑含有羧基或酸酐基能與纖維中的羥基發生酯化反應或與纖維形成氫鍵，降低纖維的親水性，同時另一側的聚合物鏈段可插入到樹脂基體中，或引起聚合物鏈段與纖維、樹脂基體三者之間的相互纏繞。因此，添加相容劑是改善麻、塑兩相界面相容性的優良途徑［26］。

4 應用

4.1 汽車工業

隨著汽車的生產量和保有量不斷地增加，其帶來的負能耗和污染問題嚴重。節能、環保、輕量化已經成為當代以及未來汽車工業發展的主題。麻纖維增強熱塑復合材料因其密度低、強度高和可回收利用等優異性能，成為汽車行業替代金屬、玻璃與塑料等傳統制造材料最好的材料之一［12］。

美國福特公司早在1941年就將亞麻應用于汽車材料，20世紀60年代，將椰殼麻復合材料用于汽車座椅和內飾部件。自上世紀90年代以來，國際上麻纖維復合材料在汽車行業中的應用已獲得較大發展［3，42－44］。含亞麻、大麻和劍麻混合物65%的復合材料，于1999年首次商業化應用于奔馳高級轎車的門板。當前，美國汽車工業中生物質纖維復合材料的用量正在不斷上升，歐洲生物質纖維用量為8～16萬噸。日本豐田公司已經啟動用生物基復合材料替代20%的汽車用塑料的計劃。從2003年開始，日本批量生產紅麻—PP復合材料用于豐田汽車的內裝和車身。該復合材料原料為65%紅麻和35%PP。國內研究者通過借鑒制造玻璃纖維增強熱塑性復合材料（GMT）的工藝方法，將改性大麻纖維與聚丙烯纖維共混針刺成氈，通過模壓成型制成汽車板材及內飾件［12］。

4.2 家居建材

麻纖維復合材料用作建筑材料的優點是不產生裂紋、不變形、防蟲蛀、防鼠咬、不易腐爛、使用壽命長、長期吸水率小等。麻纖維復合材料目前已經或正在開發用作裝修和裝飾材料、圍欄護欄、建水泥模板、門窗材料、壁板和墻板、地板、屋頂板、吊頂板等。

2002年以來，日本松下電工有限公司在中國安徽省和馬來西亞關丹市進行紅麻纖維板的試驗與生產。纖維板由紅麻熟麻層疊浸膠加壓成型，具有輕、薄、透氣性好、強度大等優點，該板材用于替代木結構墻壁強化材料時，其強度是后者的3.2倍，抗震強度是后者的2倍［45］。馬來西亞UPM和MARDI以及HKC集團用紅麻聚丙烯復合生產出高強度的紅麻纖維強化塑料合成材料［46］，該材料生產的吊頂板材產品已經產業化。武漢科技學院研發的劍麻纖維增強再生塑料復合建筑模板已投產。劍麻纖維增強的建筑模板替代鋼模板，不需要脫模，施工效率顯著提高，并且節約木方原使用量的 2／3［29］。

4.3 其它功能性產品

除了汽車和建筑工業外，具備力學性能好、阻燃、輕質、隔音、耐紫外線、耐水等優點的功能性材料，還可用于航空航天、軍事、戶外公園設施等領域。而且，針對不同特性原料或不同改性工藝開發了各種不同功能的麻纖維復合材料。

因合成材料引起環境污染難題，完全可降解復合材料成為長期的研發熱點。國外開展相關研究較早。澳大利亞和德國于1996年初次嘗試了用亞麻和黃麻分別與PBS、PHB等制備復合材料。此后，歐、美、日開展了利用黃麻、亞麻、大麻、劍麻、蕉麻分別與PLA、PBS、PCL、PHB等制備復合材料的研究［47］。我國對完全可生物降解麻纖維復合材料的研究較少。王春紅等［21］采用非織造加工方法制作預成型件后，采用模壓工藝制成亞麻落麻纖維—PLA（或PBS）完全可降解復合材料。劉鵬等［19］研究表明，劍麻纖維增強PBS基復合材料在抗拉強度、抗壓強度以及氫鍵強度方面，都比紙漿纖維、稻草纖維、木纖維復合材料高。

國內外利用黃麻、苧麻和大麻等通過針刺成氈、非織造熱粘合、熱壓成型工藝等途徑分別制備了吸聲性能較好的復合材料，適于用做汽車內飾件［18，48－50］。

麻纖維熱塑性復合材料正嘗試應用于3D打印技術。研究人員將黃麻磨粉后與PLA共混并擠出復合細絲用于熔融沉積3D打印，但該技術存在打印結構分辨率低、機械強度低、噴嘴堵塞不流暢等問題［51］。Matsuzaki等［52］以此技術為基礎加以改進，使用連續的黃麻纖維與PLA分別引入打印機，在加熱的噴嘴內麻纖維浸漬在融化的PLA中，隨即通過噴嘴打印出復合材料制品。

5 問題與展望

國內外已經廣泛開展生物質復合材料的研發，其應用也正在快速發展。從原料到產品均有諸多優勢的麻纖維增強熱塑性復合材料，已經開始部分取代合成纖維復合材料和木塑材料，發展前景廣闊。

從文獻中可以看出，我國研究麻纖維增強熱塑性復合材料的人員機構較多，領域關注度高，但起步較晚，在產品應用上明顯落后于歐、美、日；在麻類的農作物生產和初加工方面，存在機械化裝備和纖維提取技術不能滿足生產應用等問題；復合材料中采用短纖維不能發揮麻纖維的優勢，而長纖維熱壓工藝一般不能連續性生產。國際上已經利用碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等合成纖維為增強體開發出高性能復合材料，用于航空航天、軍工、能源等高技術領域，而目前麻纖維復合材料一般只做為通用材料。

通過合適的化學、機械和生物方法處理而加強纖維和聚合物基質之間的粘結性，依然是麻纖維復合材料當前的研究重點。加強研發長纖維連續生產的加工成型工藝和設備的創新，能更好地發揮出麻纖維的優良特性。繼續研發具有力學性能好、阻燃、輕質、耐戶外環境、易于重復利用和可降解等優點的麻纖維增強熱塑性復合材料，產品有望成為汽車產業、建筑行業等市場需求量巨大的工業原料。利用正在發展的先進檢測技術、模擬技術和智能化制造技術，開發新產品和新工藝，使麻纖維復合材料制備技術朝產品高性能化、工藝精細化和設備智能化方向發展。

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Development and Applications of Fibrilia Reinforced Thermoplastic Composites

ZHENG Ke，DUAN Shengwen，CHENG Lifeng，FENG Xiangyuan，LIU Zhengchu，PENG Yuande*
（Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410205，China）

Fibrilia reinforced thermoplastic composites have several obvious advantages，such as high modulus and high strength，long continuity，abrasion proof，lightweight，well reprocessing performance and biodegradable.Products based on fibrilia composites have great potential for wide application in various fields including packaging，automobile，construction materials and other industries.This study summarized the research and development of raw materials，composite processing，composite mechanism，application and performance of the thermoplastic resin composites reinforced by fibrilia，And it also had a preliminary discussion about problems and development trend of the composites.

fibrilia（bast fiber）；reinforcement；resin matrix；thermoplastic composites；application

TB332

A

1671－3532（2017）06－0312－09

2017－10－30

中國農業科學院科技創新工程創新團隊任務（CAAS－ASTIP－2017－IBFC08）；國家麻類產業技術體系項目（CARS－19－E21）

鄭科（1978－），男，副研究員，主要從事農產品加工研究。E－mail：zhengke＠caas.cn

彭源德（1965－），男，研究員，主要從事農產品加工研究。E－mail：pengyuande＠caas.cn