植物纖維基泡沫材料中纖維的選取與改性研究進展

韓晨峰， 張詩雅， 王鴻遠(yuǎn)， 孫彬青，， 黃煜琪

（1.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300457；2.浙江大勝達(dá)包裝股份有限公司， 杭州 311215）

聚合物泡沫材料具有質(zhì)量輕、可吸收沖擊載荷、隔熱和隔音性能好等諸多優(yōu)點，因而在工業(yè)、建筑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，常用的泡沫材料有聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、聚氨酯泡沫塑料（PU）、聚乙烯泡沫塑料（PE）和酚醛泡沫塑料（PF）等[1]。 然而，傳統(tǒng)泡沫材料在給人們生活帶來便利的同時，其主要原料塑料難以降解，長期使用會產(chǎn)生大量白色污染。2020年1月，我國出臺了《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》，正式從“限塑”轉(zhuǎn)為“禁塑”[2]。2021年9月8日，我國頒布了《“十四五”塑料污染治理行動方案》，積極推動塑料生產(chǎn)和使用的減量，并科學(xué)穩(wěn)妥地推廣塑料替代產(chǎn)品[3]。2022年2月23日，我國生態(tài)環(huán)境部在例行發(fā)布會上再次強調(diào)了治理塑料污染的重要性，指出我國將推動《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》《“十四五”塑料污染治理行動方案》等落地見效，并將進一步加強與國際社會的合作[4]。

植物纖維基泡沫材料不但具有聚合物泡沫的諸多優(yōu)良性能，而且還可以生物降解，對環(huán)境友好；同時，植物纖維原料的來源廣泛，是可再生資源[5]。因此，植物纖維基泡沫材料以其獨特的優(yōu)勢， 逐漸成為當(dāng)前研究的熱點，具有廣闊的發(fā)展前景。

植物纖維是植物纖維發(fā)泡材料的主要組成部分，在材料內(nèi)部起著骨架支撐的作用，并保存發(fā)泡過程中產(chǎn)生的氣體[6]。 不同種類植物纖維經(jīng)不同處理后的性質(zhì)不同，對泡沫材料性能的影響也不同。對纖維原料的選擇和處理是纖維泡沫材料制作過程中的重要環(huán)節(jié)。 本文綜述了植物纖維基泡沫材料研究中關(guān)于植物纖維原料選取與改性的研究進展， 以期為今后植物纖維基泡沫材料的研究提供參考。

1 植物纖維的選取

天然植物纖維是自然界中儲量最豐富的可再生資源。目前，常用于植物纖維基泡沫緩沖材料的植物纖維主要有麻纖維、竹纖維、棕櫚纖維、椰殼纖維，以及農(nóng)作物秸稈和廢紙等的纖維[7]。

天然植物纖維大致可分為木材纖維和非木材纖維[8]。 木材纖維細(xì)長均勻，并且纖維的挺度高，形成的泡沫材料有更高的強度。然而，森林資源是維持自然界生態(tài)平衡的重要部分，不能隨意采伐，需要加以保護[9]。 目前，對于天然植物纖維的選用，一般是選用生產(chǎn)周期短的木材纖維，如楊木纖維；或者是選用非木材纖維，如棕櫚葉片纖維、竹纖維、甘蔗渣纖維、麻纖維等。

在當(dāng)前低碳經(jīng)濟的引導(dǎo)下， 對各種農(nóng)業(yè)及工業(yè)品廢棄物的回收利用已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域。其中的農(nóng)業(yè)廢棄物，尤其是玉米秸稈、高粱秸稈、稻麥秸稈等農(nóng)作物秸稈的資源量極其豐富。 此外，人們的日常用紙量和包裝用紙量極其巨大， 此類廢紙纖維的來源相當(dāng)廣泛。 對農(nóng)作物秸稈和廢紙的回收利用，不僅有利于保護環(huán)境和節(jié)約資源，還能大幅降低植物纖維基泡沫材料的生產(chǎn)成本。

植物纖維在泡沫材料成型后起支撐作用， 纖維的種類、 長度及均勻性都對成型材料的性能有不同程度的影響。 一般情況下，若纖維的長度越長、均勻度越高、表面雜質(zhì)越少、纖維素含量越高，則最終泡沫材料的性能越好[6]。

2 植物纖維的預(yù)處理改性

在將天然植物纖維原料用于植物纖維基泡沫材料前，需要進行一定的處理：首先要去除泥土、沙石等雜質(zhì)；然后，在經(jīng)過切片篩選后，采用化學(xué)蒸煮等工藝制成纖維漿料。 對于廢紙類原料， 則需要經(jīng)過分選、脫墨、去除雜質(zhì)、研磨等操作制成纖維漿料。

然而，植物纖維漿料仍需進一步處理，不能直接用于植物纖維基泡沫材料，主要原因是：（1）天然植物纖維是由多個纖維黏結(jié)在一起的纖維束， 纖維束之間的作用力極小， 很難為泡沫材料提供足夠的力學(xué)強度。 （2）植物纖維主要是由纖維素、半纖維素、木素和果膠等組成[10]，減少半纖維素和木質(zhì)素等的含量、 提高纖維素含量， 有助于提升材料的力學(xué)性能。 （3） 植物纖維泡沫材料中所使用的膠黏劑大多為非極性、疏水性的聚合物。 然而，植物纖維的親水性極好， 極性植物纖維與非極性聚合物之間的不相容性導(dǎo)致的弱界面相互作用， 極大地降低了植物纖維基材料的性能。

因此，需要對植物纖維進行改性處理，以提高纖維與纖維之間的作用力， 改善纖維與聚合物之間界面相容性，提高纖維素含量，從而達(dá)到提高泡沫復(fù)合材料力學(xué)性能的目的[11]。 對植物纖維的改性處理方式有物理改性、化學(xué)改性和生物改性三大類[12]。

2.1 物理改性

物理改性是指使用物理方法對植物纖維進行處理。 常見的物理改性方法有機械處理改性、 熱處理改性、蒸汽爆破改性、等離子體處理改性和表面吸附改性等。

機械處理植物纖維可以將纖維束為分離為單根纖維，并且可使纖維分絲帚化，從而增強纖維與聚合物的界面積及纖維與纖維之間的機械聯(lián)結(jié)。 LI 等[13]對桉樹纖維進行了原纖化打漿處理以產(chǎn)生可控的較小纖維，結(jié)果表明：通過適當(dāng)?shù)脑w化處理可以使植物纖維基泡沫的密度降低、孔隙率增加、孔徑分布均勻；并且，泡沫材料的楊氏模量提升了246%，屈服強度提升了75%。

熱處理可以降低植物纖維中的水分含量， 使纖維表面變得粗糙，增大纖維表面積；同時，還可以使植物纖維表面羥基的含量降低， 增大纖維的疏水能力[14]。 ADEBAYO 等[15]對紅樹林木纖維進行熱處理，研究表明： 熱處理可以去除半纖維素和木質(zhì)素等非纖維素成分，使纖維素含量提升22%；同時，熱處理后紅木纖維/聚乙烯復(fù)合材料的拉伸強度提升25%，彎曲強度提升46%。

蒸汽爆破處理的基本原理是， 在高壓下讓水蒸氣充分潤漲植物纖維， 然后瞬間泄壓使纖維發(fā)生膨脹、破裂，從而增加植物纖維的表面粗糙度，增大纖維的表面積。 JU 等[16]用蒸汽爆破法處理風(fēng)車棕櫚纖維，結(jié)果表明：蒸汽爆破處理去除了纖維表面的硅和蠟層， 并且增加了纖維的表面積， 使纖維變得更粗糙；處理后的棕櫚纖維/聚氨酯泡沫塑料的開孔率降低約50%， 使得材料的氣流阻力和彎曲強度增大，進而使泡沫塑料的儲能模量和損耗模量提升。

使用等離子體處理植物纖維后可以使纖維表面的羥基、羧酸等官能團發(fā)生變化，從而改變纖維的表面能， 改善纖維在聚合物中的浸潤性和黏結(jié)性[13]。SORIANO-CORRAL 等[17]對龍舌蘭纖維進行乙烯等離子體處理，研究表明：經(jīng)乙烯等離子體處理后的植物纖維由親水改性為疏水， 從而增強了與疏水性聚乙烯的相容性；經(jīng)過處理后的龍舌蘭纖維/聚乙烯泡沫材料的氣孔平均尺寸更小，細(xì)胞壁和邊緣更厚，細(xì)胞形態(tài)更均勻，材料的壓縮模量提升30%，壓縮能量吸收值提升23%。

表面吸附改性是將功能性物質(zhì)通過物理吸附的方式吸附于纖維素表面， 達(dá)到對纖維素改性的目的[18]。 王福濤等[19]通過在親水纖維表面吸附具有核-殼結(jié)構(gòu)的陽離子聚膠乳， 使得蔗渣纖維接的觸角由0°提高到102°，說明纖維由親水改性為疏水性。 以此可以推測， 經(jīng)過處理后纖維與疏水性黏合劑之間的相容性更好，泡沫復(fù)合材料的性能更好。

物理改性不使用化學(xué)試劑，對環(huán)境的污染小[20]。而且，物理改性的原理簡單，大都是對纖維進行物理層面的改性，如去除纖維表面的雜質(zhì)，使纖維表面變得粗糙， 去除非纖維素成分， 改變纖維的表面能。 但是，物理改性對操作的要求較高，成本高，單獨使用時的效果并不明顯[21]，還可能損壞植物纖維。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性方法是指通過化學(xué)方法對植物纖維進行處理。 常見的化學(xué)改性方法有堿處理改性、 乙?；男浴⑴悸?lián)劑改性和酯化改性等。

堿處理改性就是利用堿液處理植物纖維， 去除植物纖維中的半纖維素、木質(zhì)素和果膠等雜質(zhì)，并使纖維表面變得粗糙。 另外， 纖維經(jīng)堿液處理后易發(fā)生溶脹，材料成型后有利于吸收外界沖擊載荷，提升材料的力學(xué)性能[22]。 PAO 等[23]用氫氧化鈉處理椰子殼粉，發(fā)現(xiàn)堿處理可以去除木質(zhì)素、半纖維素和雜質(zhì)，使椰子殼纖維的表面變得粗糙；經(jīng)過堿處理后的椰子殼纖維/聚苯乙烯泡沫材料在拉伸強度、楊氏模量、斷裂伸長率、彎曲強度和彎曲模量等方面的提升都在30%左右。ZAFAR 等[24]用氫氧化鈉處理黃麻纖維后， 制成的黃麻/聚乳酸復(fù)合泡沫材料的泡孔尺寸和體積膨脹率增加；同時，材料也有更好的尺寸穩(wěn)定性，界面剪切強度提升約70%。

乙?；男跃褪鞘估w維素表面的親水性羥基通過乙?；磻?yīng)轉(zhuǎn)化為疏水性乙?；?， 從而提高纖維的表面疏水性， 改善植物纖維與疏水性聚合物之間的界面相容性[25]。LIU 等[26]用乙?；噭┨幚項钅纠w維，結(jié)果表明：經(jīng)乙?；幚砗螅诶w維上接枝了乙?；鶊F，提高了纖維與酚醛的相容性，纖維團聚現(xiàn)象減輕；最終制得復(fù)合酚醛泡沫塑料的泡孔尺寸減小，泡孔密度提高；而且，乙酰化處理提高了材料的力學(xué)性能，抗壓能力提升35%，粉化率降低32.3%。

偶聯(lián)劑改性即利用硅烷偶聯(lián)劑與植物纖維進行硅烷化反應(yīng)， 在植物纖維上生成的硅烷基團可以起到橋梁的作用， 將極性差別較大的植物纖維與疏水性聚合物結(jié)合起來。 CZONKA 等[27]對核桃殼進行硅烷化處理， 發(fā)現(xiàn)加入經(jīng)過硅烷化處理的核桃殼纖維后，聚氨酯復(fù)合泡沫材料的泡孔平均尺寸減小，結(jié)構(gòu)更加均勻；并且，復(fù)合泡沫的抗壓強度提升15%，彎曲強度提升9%，沖擊強度提升6%；此外，復(fù)合泡沫材料的熱導(dǎo)率提升17%，材料具有更好的熱穩(wěn)定性。

酯化改性又稱酸化改性， 即纖維與有機酸或無機酸發(fā)生酯化反應(yīng)，改性后的纖維表面極性降低，疏水性提高[28]。 LIU 等[29]對纖維素納米纖維（CNF）進行酯化處理改性， 研究表明，CNF 的表面酯化提高了纖維在聚乳酸中的分散性以及與PLA 的界面相容性， 進而使CNF/PLA 復(fù)合材料的彎曲強度提升了42%，拉伸強度提升了20%。

化學(xué)改性使植物纖維發(fā)生了化學(xué)層面的變化，從而改變纖維表面的性能， 增大纖維與聚合物之間的粘結(jié)能力。 化學(xué)改性的操作簡單， 其改性效果明顯、直接，優(yōu)于其他改性方式。 然而，化學(xué)改性中大量化學(xué)試劑的使用不僅增加了成本， 而且對環(huán)境也有極大的危害。

2.3 生物改性

生物處理即使用生物酶或真菌作用于纖維表面的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等物質(zhì)，發(fā)生特定的反應(yīng)，從而達(dá)到對纖維改性的目的。 目前，生物改性常用的酶有纖維素酶、果膠酶和漆酶等。

經(jīng)過果膠酶處理后，纖維中的半纖維素、木質(zhì)素和果膠被去除，纖維束分裂成纖維素長絲，纖維變得可見并充分暴露。 纖維中親水性成分的消除， 使得處理后纖維的耐水性增加， 并且纖維分絲增大了與基體的接觸面積， 從而提高了與基體的相容性[30]。WERCHEFANI 等[31]用果膠酶處理阿爾法纖維，經(jīng)過酶處理的纖維分散更加均勻， 半纖維素和木質(zhì)素含量降至10%以下， 復(fù)合材料的拉伸強度提升50%，彎曲強度提升40%，材料的力學(xué)性能顯著提高。

漆酶可以使木質(zhì)素聚合或交聯(lián)形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而提高纖維泡沫材料的穩(wěn)定性。 LIU 等[32]用漆酶處理大麻纖維，發(fā)現(xiàn)在漆酶處理后，大麻纖維的最大降解溫度提高約5 °C，并且經(jīng)過處理的纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的機械性能提升56%。 而在用氫氧化鈉去除大麻纖維中大部分木質(zhì)素后再用漆酶處理時，大麻纖維及其復(fù)合材料的力學(xué)性能提升并不明顯。

生物改性是對植物纖維進行生物處理， 該方式不需要添加化學(xué)試劑，對環(huán)境污染小，相較于物理改性，其能耗低，操作簡單。 但是，生物改性對環(huán)境的要求較為嚴(yán)苛，并且其效率并不高，處理周期長。

3 結(jié)束語

植物纖維基泡沫緩沖材料具有優(yōu)異的性能，且對環(huán)境友好，在化石能源匱乏、提倡低碳經(jīng)濟的今天受到人們的廣泛關(guān)注。 目前， 對緩沖材料研究主要集中于對植物纖維的選取與預(yù)處理改性， 在選取了合適植物纖維并對其進行一定的改性處理后， 可獲得性能良好的植物纖維基泡沫材料。 但是， 相較于泡沫塑料， 植物纖維基泡沫緩沖材料在綜合性能上仍有不小的差距。 因此， 需要進一步優(yōu)化對天然纖維的預(yù)處理方法， 并深入研究纖維和聚合物間的作用機理，提高纖維與聚合物的界面相容性，從而使植物纖維基泡沫材料能與傳統(tǒng)泡沫塑料媲美；并且，在低碳經(jīng)濟的引導(dǎo)下， 對廢棄農(nóng)作物秸稈及廢紙的回收再利用研究也應(yīng)受到更多的關(guān)注。