植物纖維制備水泥基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

蘇林強

（武漢建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

在20世紀(jì)70年代，全球主要使用石棉來制備纖維水泥制品。石棉具有纖維柔軟，抗折強度高、易抄取、隔熱、隔音、耐高溫、耐酸堿、耐腐蝕和耐磨等特性，是制備纖維水泥制品的理想材料。石棉纖維的應(yīng)用持續(xù)了半個多世紀(jì)，20世紀(jì)70年代人們發(fā)現(xiàn)石棉纖維對人體存在健康隱患，因此各國均開始禁止使用石棉纖維。大量的企業(yè)和研究機構(gòu)開始投入精力研究可替代石棉的纖維。目前工業(yè)上主要采用經(jīng)過化學(xué)處理的木漿纖維替代石棉用于制備纖維水泥制品。木漿纖維經(jīng)過松解后具有和石棉纖維相似的工藝性能，纖維長度大部分處于1mm~6mm，抗拉強度500MPa~700MPa，耐高溫高濕，且對人體無害[1]。由于木漿纖維是使用山松、濕地松、桉樹等樹木制備，樹木生長周期長，導(dǎo)致木漿纖維價格波動大，資源可持續(xù)性差，因此大量人員和機構(gòu)著手于其他種類植物纖維的可利用性研究。

常見的植物纖維除木漿纖維，還有劍麻纖維、麥秸稈纖維、稻草纖維、香蕉纖維、甘蔗渣纖維、蘆葦纖維、棉花纖維、大麻纖維、黃麻纖維、苧麻纖維、竹纖維、椰殼纖維等等。在已發(fā)表的資料中，這些纖維在水泥基材料中使用情況良好，制備的復(fù)合材料性能受到植物纖維種類、尺寸、摻量等影響?！督ㄖ弥参锢w維水泥復(fù)合板》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)立項，由此可見國家對植物纖維在建筑材料行業(yè)利用的重視。本文主要介紹不同植物纖維在纖維水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展。

1 植物纖維的基本性能

1.1 植物纖維的分類

植物纖維主要分為木漿纖維和非木漿纖維，木漿纖維主要來自于硬木和軟木，非木漿纖維種類比較多，來源也很廣泛，具體分類見圖1所示[2]。

圖1 植物纖維的分類

木漿纖維由相應(yīng)木材處理得到，一般而言木材的生長周期較非木漿纖維植物長，纖維質(zhì)量較非木漿纖維好；非木漿纖維相對木漿纖維來源更加廣泛，生長周期也較短，且大量的非木漿纖維主要來源于農(nóng)作物廢料，價格低廉[3]。

由于不同植物或者同種植物不同部位的材料的性質(zhì)不同，制備出的纖維性能會不同，同時處理方式的差異也會導(dǎo)致纖維差異比較大，纖維的性能差異主要由纖維的長度、直徑、長徑比和比模量（單位密度的彈性模量）等決定。

1.2 植物纖維物理和力學(xué)性能

植物纖維中主要的物質(zhì)是纖維素纖維、半纖維素和木質(zhì)素，具有增韌效果的主要為纖維素纖維，半纖維素和木質(zhì)素呈凝膠狀填充在纖維素纖維之間，粘結(jié)纖維素纖維，半纖維素和纖維素會延緩水泥水化，影響水泥水化反應(yīng)，對早期強度不利，同時半纖維素和纖維素在堿性環(huán)境下容易水解，降低材料后期的強度，因此需要將植物纖維經(jīng)過一定的處理，控制半纖維素和木質(zhì)素的含量，目前常用的方法為機械磨漿和化學(xué)改性方法[4]。經(jīng)過上述方法處理后不同植物纖維的長度、直徑和長徑比見表1所示[5]。

表1 植物纖維物理性能

合適的長度和長徑比能夠使纖維比較牢固地錨固在基體中，對纖維和基體的結(jié)合有利，纖維尺寸對纖維在基體中的分散有明顯影響。不同種類的纖維具有不同的強度，常見的植物纖維和玻璃纖維的比模量變化范圍見圖2。

圖2 植物纖維和玻璃纖維比模量值

與玻璃纖維相比較，竹纖維、亞麻纖維、大麻纖維，黃麻纖維、洋麻纖維和苧麻纖維比模量值波動大，選擇合適原材料和處理方式，能夠達(dá)到優(yōu)于玻璃纖維的比模量，這些纖維屬于韌皮纖維和長草纖維，纖維本身韌性好，且纖維長度長，可以制備出合適的尺寸的纖維。其他種類纖維，如玉米秸稈，比模量值小于玻璃纖維，但是大部分都是原材料來源豐富的植物，價格低廉，性價比高[3]。

1.3 植物纖維與基體結(jié)合能力

植物纖維水泥基復(fù)合材料主要是由增韌纖維和水泥基體材料組成，影響植物纖維復(fù)合材料強度的除基體和纖維本身強度外，基體和纖維界面區(qū)結(jié)合強度也是很重要的因素。界面區(qū)控制著纖維與基體之間的應(yīng)力傳遞，界面區(qū)的強度取決于界面處纖維和基體的粘著程度，良好的界面強度使基體具有最優(yōu)的抗應(yīng)力破壞能力，能夠保證應(yīng)力從基體經(jīng)過界面區(qū)域傳遞到纖維中，在基體受損后，若纖維大部分或全部直接斷裂，材料表現(xiàn)出脆性斷裂，能夠吸收的能量較低[6]，若大部分纖維在和基體界面結(jié)合良好的情況下，主要以拔出方式為主，小部分表現(xiàn)出斷裂，材料表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的狀態(tài)。

尚君等人發(fā)現(xiàn)竹纖維和劍麻纖維采用分層平鋪時，在單軸拉伸作用下呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化及多縫開裂現(xiàn)象，劍麻纖維分層平鋪試件極限拉伸強度達(dá)到4.08MPa，相比初裂強度提高了52.81%[7]。Savastano等人研究表明經(jīng)過打漿處理的紅松牛皮紙纖維，在水泥體系中，斷裂面纖維呈現(xiàn)出斷裂和拉出兩種效應(yīng)，為材料提供了良好的抗折強度和韌性。未打漿的劍麻牛皮紙纖維表面光滑，部分材料斷裂時直接從水泥基體中拔出，同時一些纖維直接斷裂，這表明纖維和基體結(jié)合比較強。劍麻纖維、香蕉纖維和桉樹木漿纖維在保持一定的長度時，在水泥基體和高爐礦渣基體也能夠結(jié)合良好，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能[8]。麥秸稈在水泥基體開裂時能夠搭接微裂縫，提高材料的韌性。

在植物纖維增強材料的使用過程中，植物纖維的高吸水性和隨濕度產(chǎn)生的尺寸不穩(wěn)定會導(dǎo)致纖維－基體之間粘結(jié)性不良，結(jié)合能力下降，界面性能受損，一般可通過對植物纖維進(jìn)行改性來改善界面性能。王翠翠等人[9]發(fā)現(xiàn)CaCO3原位沉積能夠?qū)w維表面進(jìn)行改性，提高單根纖維的拉伸能力，增強復(fù)合材料的界面強度。馬玉峰等人[10]采用熱處理、堿處理等不同的處理方式對植物纖維表面進(jìn)行改性，提高了復(fù)合材料的界面結(jié)合能力。Motta[11]在不同溫度條件下熱壓處理劍麻纖維，降低了纖維的吸濕能力，提高了纖維的彈性模量。

2 植物纖維對纖維水泥基復(fù)合材料性能的影響

植物纖維種類、摻量、養(yǎng)護(hù)條件等對植物纖維水泥基材料的物理和力學(xué)性能有明顯影響，表2為常見植物纖維的一些物理性能和在不同基體中表現(xiàn)出的力學(xué)性能[12]。

表2 植物纖維水泥基復(fù)合材料的物理性能和力學(xué)性能

各類植物纖維的密度在1.1g/cm3～1.9 g/cm3范圍內(nèi)，密度都非常小。在纖維摻量、養(yǎng)護(hù)方式和基體材料相同的條件下，摻量為8%時，木漿纖維制品的抗折強度＞香蕉纖維制品的抗折強度＞竹纖維制品的抗折強度；摻量為4%時，紅松纖維制品的抗折強度＞香蕉纖維制品的抗折強度＞劍麻纖維制品的抗折強度。在普通硅酸鹽水泥和石英砂制備的基體中，亞麻纖維和紅松纖維制品抗折強度相同，且略大于桉樹木漿纖維制品，大于香蕉纖維制品。同種纖維制備不同基體的纖維制品，需要采用不同的養(yǎng)護(hù)方式，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)生成的主要物質(zhì)為水化硅酸鈣和氫氧化鈣，采用蒸壓養(yǎng)護(hù)生成的主要物質(zhì)為托貝莫來石，蒸壓養(yǎng)護(hù)需要的溫度高，但是養(yǎng)護(hù)時間短。不同纖維在不同基體中表現(xiàn)不同，紅松纖維石膏材料抗折強度最高，桉樹木漿纖維在不同基體中抗折強度變化不大。

3 結(jié)束語

植物纖維種類豐富，儲備量大，價格低廉。各種不同的植物纖維通過不同的處理方式，能夠獲得良好的使用性能，能夠和水泥等材料復(fù)合使用。相比非植物纖維，植物纖維的可降解性是其一大優(yōu)點，符合建筑材料的環(huán)保要求。

大量的研究均表明了植物纖維在水泥基材料應(yīng)用方面的巨大潛力，可是實際應(yīng)用中僅木漿纖維得以在纖維水泥板/硅酸鈣板生產(chǎn)中得到廣泛使用，而我國采用的木漿纖維亦非出自本國，主要來自于國外進(jìn)口；而我國含量最為豐富的農(nóng)作物副產(chǎn)品水稻、小麥、玉米等的秸稈纖維等尚未工業(yè)化生產(chǎn)，主要原因有：植物纖維性能受到自身生長環(huán)境、品種等影響較大，產(chǎn)量有周期性波動，表現(xiàn)出一定的地域性分布；國內(nèi)有部分對植物纖維的應(yīng)用研究，但是缺乏對植物纖維本身性狀，以及和其他材料復(fù)合使用時相互之間的作用機理研究，也缺少指導(dǎo)實際生產(chǎn)和應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)性文件，這些都限制了植物纖維的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。因此，植物纖維的工業(yè)化生產(chǎn)和利用還有很長一段路要走，需要行業(yè)內(nèi)外的力量一起推動。