天然纖維復(fù)合材料在建筑工程的應(yīng)用力學(xué)性能及其前景展望

徐博聞

摘要：隨著社會(huì)對(duì)于環(huán)保要求的日益提高，人工合成纖維的生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境造成的影響逐漸凸顯出來，以天然纖維增強(qiáng)聚合物為代表的天然纖維復(fù)合材料正在吸引越來越多的關(guān)注。本文將結(jié)合全球最新研究進(jìn)展，介紹天然纖維復(fù)合材料在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況并討論其力學(xué)性能與工作環(huán)境之間的互相影響。

Interaction between Mechanical Properties of Natural Fiber Composites in Building Engineering with the Environment

1.引言

近年來具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕特性的纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）在建筑工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，在環(huán)保要求日益提高的今天，其應(yīng)用的碳纖維、玻璃纖維等人工合成纖維被由于生產(chǎn)過程耗能巨大且無法循環(huán)利用已成為威脅環(huán)境的一個(gè)因素[1]?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)由天然植物纖維與聚合物基質(zhì)組合而成的天然纖維復(fù)合材料（NFRP）有可能作為新型環(huán)保材料應(yīng)用于工程中。目前已有研究表明紅麻、劍麻、香蕉、黃麻、佛羅里達(dá)麻等天然纖維因其綠色環(huán)保和來源廣泛等優(yōu)勢(shì)有望成為汽車工業(yè)和建筑工業(yè)等領(lǐng)域的增強(qiáng)纖維[2]。

植物纖維由于強(qiáng)度和纖維長度方面的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為建筑工程中具有最大的使用潛力。植物纖維密度低，可降解且無毒，可重復(fù)利用且造型豐富的特性使其能夠用作聚合物復(fù)合材料中的填料或增強(qiáng)物質(zhì)[3]。雖然天然纖維具有上述優(yōu)勢(shì)，但其來源于植物的這一特點(diǎn)也造成了熱穩(wěn)定性低、真菌敏感性、親水性可能導(dǎo)致尺寸變化等缺陷，尤其是其親水性可造成由于環(huán)境濕度變化的力學(xué)性能改變[4]。因此目前的研究主要關(guān)注如何通過預(yù)處理和處理方法改善天然纖維的性能。

天然纖維復(fù)合材料應(yīng)用于受力構(gòu)件仍處于起步階段，目前關(guān)注的性能主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，長期蠕變性能，吸水或紫外線輻射引起的力學(xué)性能變化以及結(jié)構(gòu)工程工作狀態(tài)的其他基本參數(shù)。

本文旨在對(duì)天然纖維在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用過程中的力學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并討論其與環(huán)境的相互作用，并對(duì)未來的研究和應(yīng)用方向進(jìn)行展望。

2.纖維材料的選擇與處理

植物中提取的天然纖維按其來源可分為韌皮纖維、莖葉纖維和種子纖維。韌皮纖維主要采自麻類植物如亞麻，大麻等，韌皮纖維較其他纖維更長因而更適宜在長尺寸、拉應(yīng)力構(gòu)件中應(yīng)用。葉片纖維是采自劍麻、香蕉等木本植物，其纖維比韌皮纖維更粗壯，因此在受壓時(shí)能發(fā)揮更好的性能。種子纖維是棉花、椰殼、木棉等植物中。種子纖維由于更細(xì)更短所以只能滿足要求較低的應(yīng)用，如室內(nèi)裝飾填料。由上述對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，最具潛力應(yīng)用于建筑工程中的是韌皮纖維。由于果膠和半纖維素在植物中伴隨著纖維素共同存在，所以在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理以去除可能造成性能不穩(wěn)定的物質(zhì)。

2.1 預(yù)處理過程

預(yù)處理是將剛收獲的植物變成適用于復(fù)合材料中的纖維過程中必不可少的步驟。以亞麻為例，第一步是漚麻以去除果膠并且破壞纖維和其他細(xì)胞的通路。之后烘干還原后水解、熱解以去除其中的半纖維素和木質(zhì)素。預(yù)處理過程對(duì)纖維力學(xué)性能影響巨大。一旦纖維上存在失效點(diǎn)將會(huì)引起纖維的抗拉強(qiáng)度急劇下降。只有通過預(yù)處理重組內(nèi)部結(jié)構(gòu)并經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)到基本強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)后，才可以通過進(jìn)一步的處理以進(jìn)一步增強(qiáng)其穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

2.2 提高性能的處理方法

以往的研究認(rèn)為天然纖維復(fù)合材料是一種環(huán)境友好且低成本的材料，必須通過特殊處理才能滿足建筑工程的需求。為了選擇能夠抵抗惡劣環(huán)境的基質(zhì)，保護(hù)纖維表面免受機(jī)械磨損并將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到纖維上，可選用熱塑性和熱固性聚合物保護(hù)天然纖維并提高抗壓能力[3]。此外，一些天然纖維獨(dú)有的特性也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能造成影響，如纖維含量、纖維取向、纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維長度等[4]。目前已證明經(jīng)過處理的天然纖維的機(jī)械性能課提高至其原始值的三倍。處理手段按類型分包括物理處理如電暈、等離子體、紫外線（UV），熱處理如電子輻射和纖維打漿和化學(xué)處理如化學(xué)偶聯(lián)劑的使用[1]。

3.基質(zhì)材料的選擇

目前天然纖維復(fù)合材料的可用基質(zhì)材料有熱固性材料如環(huán)氧樹脂、聚酯和乙烯基酯等，熱塑性材料如聚乙烯、聚苯乙烯組成，尼龍等，以及天然可降解基質(zhì)如多糖、淀粉、蛋白質(zhì)等。其中熱塑性材料消耗石油量，天然可降解基質(zhì)的穩(wěn)定性和使用壽命不穩(wěn)定，因此，熱固性聚合物更常用作建筑材料中的基質(zhì)[3]。

4.施工方法

在施工原理上，天然纖維復(fù)合材料可以與玻璃纖維相同的施工方法。但也有例外情況，例如使用連續(xù)纖維時(shí)采用的拉擠法、纖維切碎法等。與基質(zhì)的結(jié)合技術(shù)主要采用真空注射法、塑模法、真空熱壓法和夾層法。需要注意的一點(diǎn)是熱塑性基質(zhì)對(duì)高溫敏感，因此在施工時(shí)要注意避免采用高溫方法。

5.天然纖維復(fù)合材料在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前在許多國家使用纖維復(fù)合材料作為建筑材料已逐漸成為一種趨勢(shì)。自1920年，美國制造商利用甘蔗加工殘?jiān)圃炝说谝粔K甘蔗渣合成板后，竹子、木材纖維、小麥和黑麥草秸稈纖維以及向日葵的外殼和根莖紛紛被制成建筑用板材[2]。農(nóng)用纖維中的谷物秸稈由于二氧化硅含量高而具有天然的防火性能。此外，農(nóng)用秸稈低密度使它們具有彈性，所以建造成房屋后具有較好的抗震性能。近年來天然纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)逐漸開始廣泛推廣，如用于門窗框架，墻體保溫和地板層壓。2016年，第一個(gè)全天然纖維橋梁在荷蘭得到實(shí)現(xiàn)，證明了生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用潛力。

6.天然纖維復(fù)合材料的研究前景展望

人工合成纖維需要大型生產(chǎn)設(shè)別，相比之下，天然纖維可以由人力和傳統(tǒng)技術(shù)來進(jìn)行生產(chǎn)。在那些自然纖維生長迅速、成本低廉的東南亞國家，可以充分利用本地材料，避免以外幣高價(jià)進(jìn)口玻璃纖維等合成材料。未來這一方面的研究，應(yīng)在著重關(guān)注通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法最大限度地利用天然纖維的性能。構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測(cè)理論以滿足建筑工程的要求。其中有以下具體問題需要關(guān)注：

1.天然纖維的靜力和動(dòng)力性能，

2.基質(zhì)力學(xué)的研究，如抗壓能力和應(yīng)力比。

3.纖維與基體之間的界面優(yōu)化：提高強(qiáng)度，應(yīng)力模量，變形協(xié)調(diào)能力等關(guān)鍵參數(shù)。

4.建立基于生物復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，充分利用材料強(qiáng)度。

5.創(chuàng)建天然纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的材料評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

通過對(duì)以上幾方面研究的完善，生物纖維復(fù)合材料這一環(huán)保材料的巨大潛力可以得到挖掘，并且其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以使該材料在建筑工程廣泛推廣以解決目前建筑行業(yè)在環(huán)保方面的壓力。

參考文獻(xiàn)

[1]P. K. Mallick，F(xiàn)iber-Reinforced Composites：Materials，Manufacturing，and Design，CRC Press，2007

[2]尹維，田煜，陶大帥，劉哲瑜，韓志武，張俊秋.天然樹木和竹子纖維材料的力學(xué)性能及仿生研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2015，60（31）：2949-2962.

[3]]趙麗莎. 生物纖維復(fù)合材料力學(xué)性能和復(fù)合材料生命周期評(píng)價(jià)的研究[D].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[4]M. Kabir，H. Wang，K. Lau，F(xiàn). Cardona，Chemical treatments on plant-based natural fibre reinforced polymer composites：an overview，Compos. B Eng. 43（2012）2883–2892.