國內外竹塑復合材料研究進展

趙德金 郭艷玲 宋文龍

摘要以竹纖維以及竹制品的廢棄粉末作為添加劑生產可降解竹塑復合材料，是一種可持續發展和循環利用的具有發展前景的方向。該文主要陳述近年國內外關于竹塑復合材料的研究內容與方法，并指出了未來研究竹塑復合材料所要解決的基本問題。

關鍵詞竹纖維；竹粉；竹塑復合材料

中圖分類號S795；V258+.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07059-02

Research Advance of Bamboo Plastic Composites at Home and Abroad

ZHAO Dejin， GUO Yanling et al（College of Mechanical and Electrical Engineering of Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

AbstractWith bamboo fiber and bamboo powder as additives to produce degradable bamboo plastic composites is a new direction for sustainable development and recycling utilization. The research content and method about bamboo plastic composites in recent years at home and abroad were elaborated， the basic problems were pointed out.

Key wordsBamboo fiber； Bamboo powder； Bamboo plastic composites

隨著建筑、裝飾、家具以及工業用原材料被過度開采，就迫使人們研究一種可持續發展的天然植物纖維增強力學性能的復合材料，目前合成纖維材料在工業上已經獲得了廣泛的應用[1-3]。在過去的10年中，塑料、再生塑料與天然纖維合成新材料得到了廣泛的重視，可降解的竹塑復合材料成為一種可持續發展和對環境友好的新興材料[3-5]。在林業資源比較匱乏的國家，已經開始研究農作物莖稈聚合物復合材料，竹子也已經被用來開發竹塑復合材料。由于竹子本身具有較優良的強度性能，因此被廣泛地用于制造家具以及生活常用器具中。

目前，通過一些化學或其他方法提取竹纖維，被廣泛用于竹纖維增強樹脂材料研究[6-8]。很多學者對竹塑復合材料成型方法、材料的選取與制備等方面開展了研究。

1國外竹塑復合材料的研究

1.1竹纖維提取方法及復合材料脫層現象研究目前，研究人員使用很多方法提取竹纖維用作塑料的增強材料。竹纖維提取的方法分為機械方法、堿化法以及機械化學混合法[9-11]。

復合材料結構中常見缺陷是脫層。采用天然竹纖維作為增強材料，聚合物復合材料在鉆削機械加工過程中的分層現象是許多學者集中研究的主要問題。通過改變鉆床的鉆削、進給速度以及切削刀具的直徑等方式，研究導致脫層現象的關鍵參數[12]。

1.2力學性能研究Biswas等[13]人研究環氧樹脂和鋁廠生產鋁產生的紅泥的混合物添加竹纖維形成竹纖維環氧樹脂復合材料，并與添加玻璃纖維形成的玻璃纖維環氧樹脂復合材料相比，添加竹纖維的材料力學性能弱于添加玻璃纖維的材料，但沖蝕磨損性能優于添加玻璃纖維的環氧樹脂復合材料。

Ismail等[14]研究者對添加粘合劑和未添加粘合劑的竹纖維增強天然橡膠復合材料進行了研究，確立了復合材料的固化特征，并在150 ℃使用熱壓機熱壓硫化處理，對比研究了2種復合材料的拉伸強度、拉伸模量、撕裂強度、斷裂延伸率和硬度，結果表明添加粘合劑使材料的力學性能增強并且縮短了材料的固化時間。

Kinoshita等[15]人為了增強木塑復合材料的強度和脆性，研究了分別添加3種長度竹纖維的2種不同粒度木粉的可降解復合材料，在適當的溫度通過壓縮成型，結果表明長竹纖維和小粒徑的木粉抗彎強度較高，而長竹纖維和大粒徑的木粉抗沖擊性能較高。

1.3熱收縮率和熱穩定性研究Cho等[16]研究者在真空條件下，對酚醛樹脂浸潤竹纖維和純竹纖維分別在700、900和1 200 ℃做了碳化實驗，對比分析2種纖維碳化過程中熱收縮率和失重，發現酚醛樹脂浸潤竹纖維隨著碳化溫度升高，碳含量增加，而熱收縮率減少，說明酚醛樹脂浸潤竹纖維的熱穩定性增強。掃描電鏡碳化后的酚醛樹脂纖維形態表明，其仍保留竹纖維與樹脂浸潤的細胞結構。

1.4動態潤濕性能和粘附性研究Fuentes等[17]研究人員使用分子動力學理論分析潤濕竹纖維的動態潤濕性能，結果表明竹纖維表面是潤濕分析一個較好定義的系統，對各種熱塑性基體（聚丙烯，馬來酸酐接枝的聚丙烯，聚偏二氟乙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯）的潤濕行為進行了表征。使用物理-化學-機械集成的方法研究附著力對竹纖維增強熱塑性復合材料的機械強度的影響，也就是增加附著力可以提高竹聚偏二氟乙烯復合材料界面和縱向強度，在該研究中對竹纖維和聚偏氟乙烯的表面能成分進行匹配，從而提高了復合材料粘附性。

1.5斷裂應力研究Huang等[18]人研究用改性大豆蛋白樹脂和微米/納米級竹微纖維制成的環境友好的復合材料，結果表明隨著竹微纖維的添加，大豆蛋白濃縮物試樣沒有出現斷裂應變顯著下降，反而使大豆蛋白濃縮物斷裂應力和楊氏模量顯著增加，韌性增強。 然后使用三乙氧基硅烷（ITES）交聯竹微纖維增強大豆蛋白樹脂，結果表明雖然斷裂強度增加不大，但是使用ITES復合材料斷裂韌性顯著增加。

1.6摩擦性能研究Nirmal等[19]人研究竹纖維增強環氧樹脂復合材料和環氧樹脂材料固化零件的摩擦性能，通過電鏡掃描圖片分析材料的摩擦磨損機理。

2國內竹塑復合材料的研究

2.1竹粉改性對竹塑復合材料的影響相容劑EVA可以改善竹粉與高密度聚乙烯（HDPE）之間的相容性。利用馬來酸酐（MAH）為界面改性劑，選用聚乙烯蠟對竹粉進行表面改性處理是提高竹塑復合材料性能的有效方法[20]。添加馬來酸酐，聚丙烯和竹粉的界面粘附性、力學性能顯著增強，加工性能也得到改善[21]。采用氫氧化鈉、氯化芐對竹粉進行塑化改性，塑化竹粉/低密度聚乙烯復合材料的拉伸強度和彎曲強度比未處理的復合材料高。塑化竹粉/聚乙烯復合材料具有良好的熱融合穩定性[22]。竹粉經過鈦酸酯偶聯劑改性后，吸潮率降低，竹粉/PVC復合材料力學性能顯著提高。添加接枝馬來酸酐比未添加的竹粉/PVC復合材料力學性能有增強效果，通過SEM分析接枝共聚物PVC復合材料相容性好[23]。

2.2添加竹纖維對竹塑復合材料的影響張迎晨等[24]人研究添加竹纖維聚丙烯/聚乳酸熱塑性樹脂對加工性能、形態學和流變性能的影響，結果表明添加竹纖維改善了聚乳酸的分散性并且提高了復合材料的韌性，添加馬來酸酐接枝聚丙烯、聚乳酸和竹纖維，提高了復合材料的界面強度和流變特性，使復合材料形態和流變特性發生顯著變化，改善了與聚乳酸分散性和提高竹纖維與樹脂的相互作用，確立了復合材料聚丙烯/聚乳酸/竹纖維/馬來酸酐的流變、形態和熱性能最佳配比。聚丁二酸丁二醇酯和竹纖維復合材料以及聚乳酸和竹纖維復合材料都是可以自然降解的材料，添加硅烷偶聯劑使它們的材料力學性能有顯著增強效果[25-26]。

2.3竹粉顆粒大小對力學性能的影響用40～100目竹粉制備竹塑復合材料，結果表明在竹粉添加比例相同的情況下，采用40目竹粉制備的竹塑復合材料各項性能較優。

3結語

我國竹林資源豐富，竹子與木材相比具有生長周期短、力學性能優良等特性。竹纖維以及竹粉獲取容易、制備方法簡單、成本低等諸多優點使竹塑復合材料具有更廣闊的市場和應用領域。

未來竹塑復合材料力學性能、熱穩定性、機械加工性能、自然降解以及抗老化等方面仍然是研究竹塑復合材料的基本問題。

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