竹纖維在聚氨酯中的應(yīng)用研究進(jìn)展

寧春平 易玉華

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 廣東廣州 510640)

聚氨酯是一類(lèi)具有軟硬段嵌段分子結(jié)構(gòu)的高分子材料,原料配方可調(diào)控性強(qiáng),力學(xué)等性能變化范圍十分寬廣。盡管聚氨酯擁有諸多優(yōu)良性能[1-2],但單一的聚氨酯材料難以滿(mǎn)足某些更高及特殊的使用要求[3]。近年來(lái),使用纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料成為制備高性能聚氨酯材料的重要途徑之一。

竹纖維是一種可以完全降解的生物質(zhì)纖維,纖維素含量在60%以上,纖維素分子的線形結(jié)構(gòu)和多羥基特點(diǎn)使其可以形成大量氫鍵和高結(jié)晶度晶區(qū),是竹纖維強(qiáng)度的主要來(lái)源,也是竹纖維在增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料中的應(yīng)用基礎(chǔ)[4-5]。竹纖維以束纖維或微原纖維形態(tài)存在。束纖維直徑大多在100 μm以上,由木質(zhì)素將微原纖維粘結(jié)而成,有研究報(bào)道竹纖維拉伸強(qiáng)度和模量可達(dá)575 MPa和40 GPa[4],微原纖維拉伸強(qiáng)度甚至高達(dá)1 610 MPa[6],因此竹纖維對(duì)聚氨酯具有優(yōu)異的增強(qiáng)作用。

竹纖維表面有很多縱向溝槽,橫截面則呈中空扁圓形并具有較大的內(nèi)腔表面積[4]。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得竹纖維的吸音性、透氣導(dǎo)濕性及對(duì)小分子的吸附性都非常好,從而讓竹纖維在聚氨酯吸附材料和隔音材料中得以應(yīng)用。

本文對(duì)竹纖維在聚氨酯材料增強(qiáng)、吸附和隔音方面的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的綜述。

1 竹纖維用于聚氨酯增強(qiáng)材料

竹纖維輕質(zhì)、高強(qiáng)且表面含有羥基,是聚氨酯的優(yōu)良增強(qiáng)材料。經(jīng)表面處理后的竹纖維可提高與聚氨酯的界面粘接,對(duì)聚氨酯復(fù)合材料具有更好的增強(qiáng)效果。

2 竹纖維用于聚氨酯吸附材料

關(guān)于竹纖維/聚氨酯復(fù)合體系用于吸附材料的專(zhuān)利較多。竹纖維獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的吸附性能,其在制備吸附異味、降低揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)含量的復(fù)合材料中前景廣闊。

姚華平[12]發(fā)明了一種低VOC車(chē)用短切竹纖維增強(qiáng)/大豆油基聚氨酯復(fù)合板,竹纖維起到吸附有害氣體的功效,在納米鐵基二氧化鈦復(fù)合光催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)吸附氣體的分解。該竹纖維/聚氨酯復(fù)合板材氣味等級(jí)較低,其承重性、耐水性和抗沖擊性能均優(yōu)于現(xiàn)有車(chē)用頂篷材料。

關(guān)于竹纖維在吸附材料中的應(yīng)用更多是以竹炭粉末的形式,竹炭粉末是竹子經(jīng)過(guò)高溫處理再粉碎而成,是天然竹纖維的一種利用形式。竹炭粒子具有疏松多孔結(jié)構(gòu),吸附性極強(qiáng),可作為其它合成纖維的改性劑,如將竹炭粉末加入合成纖維熔液中紡絲可制成具有吸附性的纖維,將竹炭粉末引入發(fā)泡材料中則可提高復(fù)合材料吸附性能。Ren等[13]采用一步發(fā)泡法制備了竹炭/聚氨酯復(fù)合發(fā)泡材料。掃描電鏡圖表明,復(fù)合材料表面十分粗糙,對(duì)四氯化碳的最高吸附量達(dá)37.1 g/g,比純聚氨酯材料提高了32%,而且使用5次以?xún)?nèi)吸附量沒(méi)有明顯下降。

3 竹纖維/聚氨酯復(fù)合隔音材料

噪音污染對(duì)人的身心健康影響很大,力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異的竹纖維引入聚氨酯發(fā)泡將影響泡孔大小和形態(tài)結(jié)構(gòu),可制備很好的隔音降噪材料。

Chen等[14]將竹屑和小竹條引入聚氨酯發(fā)泡體系,發(fā)現(xiàn)適量加入這兩種類(lèi)型竹纖維均能提高聚氨酯泡沫材料的泡孔尺寸和氣流阻力,使得復(fù)合發(fā)泡材料的吸音系數(shù)和吸音性能比純聚氨酯發(fā)泡明顯提高,在100～630 Hz的低頻區(qū)效果尤其顯著(純聚氨酯發(fā)泡低頻區(qū)吸音性相對(duì)較差)。其中,泡沫含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的竹纖維時(shí),竹纖維聚氨酯復(fù)合泡沫的氣流阻力和噪音衰減系數(shù)(NRC值)分別比純聚氨酯泡沫提高126%和8%,對(duì)應(yīng)在250～315 Hz頻率區(qū)的吸音系數(shù)提高50%～60%,而且其隔音性在全頻區(qū)均高于純聚氨酯發(fā)泡材料。

樓利琴等[15]通過(guò)模壓成型制備了竹纖維/聚氨酯復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)堿處理后采用直鋪法制成的復(fù)合材料在150～500 Hz及1 000 Hz以上頻率區(qū)的隔音性能明顯增加,這是由于堿處理使得纖維束分離,纖維比表面積增大,與基體界面結(jié)合力和相容性增加,透氣性變差，使得聚氨酯復(fù)合材料隔音性能增強(qiáng)。

專(zhuān)利[16]通過(guò)熱壓成型制備了竹纖維/聚氨酯復(fù)合板材,該板材不僅蓄熱保溫、隔音效果優(yōu)良,且抗壓、抗彎斷裂等力學(xué)性能好。李婷婷等[17]對(duì)竹粉簡(jiǎn)單烘干熱處理后,通過(guò)熔融共混和熱壓發(fā)泡法制備了竹纖維/熱塑性聚氨酯復(fù)合泡沫,發(fā)現(xiàn)竹纖維的加入使聚氨酯復(fù)合材料的吸聲性能有所改善。

竹纖維/聚氨酯復(fù)合體系隔音性能的改善使其比合成纖維/聚氨酯復(fù)合材料在成本、環(huán)保和綜合性能上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

4 展望

竹纖維特殊的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu),賦予其輕質(zhì)高強(qiáng)和優(yōu)異的吸附透氣特性,在改善聚氨酯力學(xué)強(qiáng)度、吸附性能和隔音方面應(yīng)用前景良好。目前有關(guān)竹纖維/聚氨酯復(fù)合體系的研究相對(duì)較少,如何充分發(fā)揮竹纖維更多天然特性,使復(fù)合材料具有更高力學(xué)強(qiáng)度仍需很多研究工作,另外竹纖維的有效改性及其與聚氨酯的復(fù)合工藝也有待進(jìn)一步研究。