世界新型天然復合材料研發一瞥

文/劉祝言 王荔妍

復合材料視角耳目一新

洋麻是非洲、亞洲熱帶和亞熱帶常見的野生植物。幾十年來，它作為復合纖維逐漸成為無紡業材料的來源之一。從商用價值上看，這種植物與任何其他纖維植物相比，對氣候和土壤的適應性都更廣。這就是為什么近年來，以植物纖維基的復合材料研發引起業界越來越大興趣的緣故。

復合材料工業是高速增長的行業，根據兩大市場情報機構的數據，到2022年，全球復合材料工業將逾1000億美元。總部位于巴黎的杰克復合材料公司（Jec Composites）統計的數據表明，在2015—2016年，復合材料行業從750億增長到820億美元，2017—2018年，它繼續保持猛增的勢頭，預計到2021年該行業市值將達1030億美元。另據一家西方行業媒體（MarketsAndMarket?）咨詢公司預計，該行業的復合年增長率約為8%，到2022年，市值將達到1150億美元。另一有趣的事實是，該行業的增長率遠遠高于歐美發達經濟體的GDP。這一正增長數字為業界持續投資提供了足夠的信心。要了解其因，我們最好先探究最新復合材料的知識。

復合材料要達到特定應用所需的性能，它必須按多種組分形成。混雜結構的產生是由于使用不同的材料，如不同的纖維或不同材料制成的不同結構形式。例如，軟性復合材料可由棉制成的機織或制成無紡，可以獲得更大的吸音效果。如今，復合材料已分為柔性（軟）和剛性（硬）復合材料。涉及塑料和金屬基質的硬復合材料很常見，在汽車、航空航天和其他重型工程領域都有廣泛的應用。軟復合材料雖然結構柔韌，但其強度很大，在工業和消費領域的應用十分廣泛。除了這兩種分類之外，還有一種復合材料，包括軟硬成分混合的混雜復合材料。其結構比剛性結構更靈活，纖維基復合材料就是一例。纖維材料在本質上是黏性的，具有彈性，這一特性有利于開發與人互動的復合材料，如防彈衣。

軟性復合材料大受青睞

目前，纖維基軟復合材料的應用例證是無紡擦拭布，這種產品是一種在打入消費市場的同時獲得成本和特性平衡的經典模式。由于這些柔軟的復合材料以一次性和半耐用市場領域為目標，消費量增加較快，因此其市場價值也隨之上升。一家名為史密斯爾·皮拉（Smithers Pira）的復合材料咨詢企業最近發布的報告稱，目前的無紡濕巾全球市場價值為166億美元，到2023年預計將達218億美元。

人們對環境污染的認識日益提高，甚至在印度這樣人口稠密的國家，也正在從使用合成材料和塑料材料轉向使用天然纖維變性材料。2018年，印度政府就推出到2022年印度將全面禁止使用一次性塑料的計劃。例如，印度擁有較高工業化的地區，泰米爾納德邦和馬哈拉施特拉邦正在實施減少塑料污染的政策，這給紡織業和其他行業帶來了開發可生物降解產品的機遇。印度和世界其他地區最近的重大舉措是，為復合材料行業鳴鑼開道，提供大量機會，向環境友好型研發投入巨資。

美國與印度政府都已相繼在復合材料研究上投入大量資金。美國在田納西大學諾克斯維爾分校創建了高級復合材料研究所。印度政府也在其發展包括復合材料在內的技術紡織領域的計劃中，投資創建了兩家復合材料研發中心，旨在完成相關研究，其中哥印拜陀研究所專注于復合材料工業的應用；伊恰爾卡蘭吉研究所則專注于無紡品研究。

10多年前，德國不來梅大學、美國農業部（USDA）、新奧爾良農業研究局（ARS）和田納西大學（University of Tennessee）相繼創建合作關系。他們著眼于利用棉花開發車用纖維基復合材料零部件。其首要目標是減少汽車中塑料零件的使用，并開發出高質量的車門板、車頂襯里部件和其他天然材料零件。他們先后成功研發出隔音、高蓬松的材料。

美國堪薩斯州立大學吉塔·拉馬斯瓦米教授開創了利用洋麻等天然纖維替代工業紡織品的研究。阿肯色州立大學也進行了類似的研究，該大學研究了洋麻和棉花混合成軟復合材料的應用。美國農業部在奧本大學資助的一項目研究了利用雞毛開發復合材料的各種應用。

新型復合材料標新立異

在材料科學中，單個材料往往有其局限性，而軟硬并濟、剛柔兼備的材料有著廣泛的應用范圍，這引發科學家從建筑、運動器材到防護服裝開展更多的研究。這是因為復合材料將兩種或兩種以上的材料結合在一起，提供了新的特性。旨在提高性能，使之成為具有綜合功能的理想形式。下列最新應用讓人大開眼界。

1.通過仿生增強性能

美國馬薩諸塞州立大學和華盛頓大學圣路易斯的研究人員利用鮑魚殼的生物原理，聯合研發出一種能夠承受極端機械力的仿生復合材料，英文稱之為“nacremimetic”。不僅如此，這種材料還具有延展性。這種延展性復合材料可用于3D打印，飛機機翼的結構，也可用于LED供電電路的預埋銅線，還能用于鎳鉻合金前緣鑲嵌材料。

研究人員將絲素蛋白和氧化石墨烯薄片結合在一起，制成了一種具有獨特多級結構的納米復合材料。他們在試驗中發現，石墨烯氧化物薄片從無相互作用的孤立片演變為部分重疊的延展片。研究結果表明，納米組分的形貌及其相互作用對該類納米仿生復合材料的可擴展性至關重要。在這些新型仿生復合材料的研發中，測試是至關重要的，它常常提醒人們，材料科學面臨著相當獨特的挑戰。

納米層狀復合材料（NLC）結構是目前研究的一種制備模擬仿生復合材料的工藝。中國東北大學和中國科學院（沈陽）研究人員正在對NLC結構進行惰性測試。為克服復合材料的結構疲勞問題，他們在逐層組裝和化學鍍液沉積試驗過程中取得成果。測試包括彈性模量、硬度、斷裂韌性、應變幅值以及疲勞極限。

2. 鋪纖技術的創新

由于專業高性能纖維的成本不斷上升，高強度、低重量的復合材料需求越來越大，纖維鋪設技術的創新發展已迫在眉睫。美國密歇根州一家稱為雷司迪奇的公司（LayStitch?）研發出許多具有特殊功能的機器，專為碳纖維復合材料鋪設制造纖維束或粗紗，然后將纖維包縫到基材上。基材通常是無紡布，可在加工過程中拆除，也廣泛應用于從假肢到汽車零部件的系列行業中。而德國科技開發公司（Technology GmbH）則致力于自動化定制纖維鋪設，稱為TFP，他們因此創新研發出TFP自動化定制纖維鋪設工藝。而該系統足能處理厚度范圍為3K～50K的碳纖維，以及玻璃纖維、芳綸、鋼鐵、玄武巖和陶瓷。

美國愛達荷州延展性復合材料公司研發出一種將材料與3D打印相結合的技術，并獲得延展性纖維3D打印(CF3D)的專利。隨著纖維鋪設所需，快速固化樹脂的應用替代了模具。這為企業節省了成本和空間，并給創新留出位置，這一新技術將淘汰傳統的復合材料制造工藝。不同的高性能紗線，如碳纖維和玻璃纖維等都能被利用。在鋪設纖維的過程中還可引入額外的功能，包括光纖傳感、銅和鎳鉻合金線。這可有效地使其成為一種智能復合材料，能夠感知環境并收集數據。例如，為LED燈或加熱元件供電。成品和復合材料生產相結合，可減少步驟，提高生產效率和環境效率。

軍事與控污領域

復合材料在國防和航空航天領域的應用占有重要地位。軍事、污染控制涉及軟、硬材料。諸多復合材料研發中使用了織物、針織物和無紡結構材料。在許多應用中，無紡的多孔結構非常方便，既需要絕緣，也需要吸收特性。此外，短纖無紡的制備工藝，如熱鍵合、針刺和水性作用等可作為開發柔性復合材料相互關聯的技術。

無紡的梳理工藝已有效地應用于開發軟質復合材料，在國防和污染控制方面都有應用。一種產品利用針刺工藝開發出一種強吸附力、層狀的柔性復合材料，可快速吸走硫和農藥等揮發性有機化合物。而柔軟的濕巾可用于清潔戰斗機、軍事裝備和人體皮膚的復雜部位，以防有毒物質泄漏和滲入。該技術采用了生產效率高、成本效益高的無紡布工藝（與織造相比）。這種成本和技術平衡的模式導致了迅速的商業化。美國一家科技公司已將該產品推向市場，目前該產品正被政府機構使用。

雖然軟性復合材料使用不同的纖維來開發層狀結構材料，但同樣的工藝也用于開發涉及機織和混合無紡結構。美國紡織科技公司（Tex Tech Industries）利用針刺技術開發出柔性防彈板。無紡布層相互連接緊密，給防彈層提供了強化型保護。最近，印度金奈公司（Wellgro Tech）利用混合概念研發出可生物降解的復合材料，它可將油和水分離，以幫助清理海洋污染和漏油。

纖維基軟復合材料在生物醫學和過濾領域已大行其道。幾十年前，美國唐納森公司率先使用納米纖維復合材料開發高效過濾器。納米纖維由于表面積較大，可以吸附細小顆粒，而負面影響已實現了最小化。如今，納米纖維生產技術已有改進，先進的納米纖維網就是一例，它具有高強度和耐用性。

美國康涅狄格州立大學研究人員開發出環境友好型絲綢復合材料，用作骨折的支撐材料。一研究小組利用絲素蛋白研發出既結實又柔韌的復合材料。除利用絲素蛋白外，他們還融入了聚乳酸和羥基磷灰石等材料。

研發之路任重而道遠

盡管復合材料的研發標新立異層出不窮，但也面臨諸多挑戰，它既要更具有成本效益，重量輕，又要與金屬基具有同等或更好的性能。工業和消費品用軟復合材料必須具備韌性和柔韌性等重要特性。雖然非合成基的天然纖維復合材料是有吸引力的替代品，應用也越來越廣，但要在市場上取得成功，還需在成本和效益間取得平衡。