国内外竹塑复合材料研究进展

赵德金 郭艳玲 宋文龙

摘要以竹纤维以及竹制品的废弃粉末作为添加剂生产可降解竹塑复合材料，是一种可持续发展和循环利用的具有发展前景的方向。该文主要陈述近年国内外关于竹塑复合材料的研究内容与方法，并指出了未来研究竹塑复合材料所要解决的基本问题。

关键词竹纤维；竹粉；竹塑复合材料

中图分类号S795；V258+.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07059-02

Research Advance of Bamboo Plastic Composites at Home and Abroad

ZHAO Dejin， GUO Yanling et al（College of Mechanical and Electrical Engineering of Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

AbstractWith bamboo fiber and bamboo powder as additives to produce degradable bamboo plastic composites is a new direction for sustainable development and recycling utilization. The research content and method about bamboo plastic composites in recent years at home and abroad were elaborated， the basic problems were pointed out.

Key wordsBamboo fiber； Bamboo powder； Bamboo plastic composites

随着建筑、装饰、家具以及工业用原材料被过度开采，就迫使人们研究一种可持续发展的天然植物纤维增强力学性能的复合材料，目前合成纤维材料在工业上已经获得了广泛的应用[1-3]。在过去的10年中，塑料、再生塑料与天然纤维合成新材料得到了广泛的重视，可降解的竹塑复合材料成为一种可持续发展和对环境友好的新兴材料[3-5]。在林业资源比较匮乏的国家，已经开始研究农作物茎秆聚合物复合材料，竹子也已经被用来开发竹塑复合材料。由于竹子本身具有较优良的强度性能，因此被广泛地用于制造家具以及生活常用器具中。

目前，通过一些化学或其他方法提取竹纤维，被广泛用于竹纤维增强树脂材料研究[6-8]。很多学者对竹塑复合材料成型方法、材料的选取与制备等方面开展了研究。

1国外竹塑复合材料的研究

1.1竹纤维提取方法及复合材料脱层现象研究目前，研究人员使用很多方法提取竹纤维用作塑料的增强材料。竹纤维提取的方法分為机械方法、碱化法以及机械化学混合法[9-11]。

复合材料结构中常见缺陷是脱层。采用天然竹纤维作为增强材料，聚合物复合材料在钻削机械加工过程中的分层现象是许多学者集中研究的主要问题。通过改变钻床的钻削、进给速度以及切削刀具的直径等方式，研究导致脱层现象的关键参数[12]。

1.2力学性能研究Biswas等[13]人研究环氧树脂和铝厂生产铝产生的红泥的混合物添加竹纤维形成竹纤维环氧树脂复合材料，并与添加玻璃纤维形成的玻璃纤维环氧树脂复合材料相比，添加竹纤维的材料力学性能弱于添加玻璃纤维的材料，但冲蚀磨损性能优于添加玻璃纤维的环氧树脂复合材料。

Ismail等[14]研究者对添加粘合剂和未添加粘合剂的竹纤维增强天然橡胶复合材料进行了研究，确立了复合材料的固化特征，并在150 ℃使用热压机热压硫化处理，对比研究了2种复合材料的拉伸强度、拉伸模量、撕裂强度、断裂延伸率和硬度，结果表明添加粘合剂使材料的力学性能增强并且缩短了材料的固化时间。

Kinoshita等[15]人为了增强木塑复合材料的强度和脆性，研究了分别添加3种长度竹纤维的2种不同粒度木粉的可降解复合材料，在适当的温度通过压缩成型，结果表明长竹纤维和小粒径的木粉抗弯强度较高，而长竹纤维和大粒径的木粉抗冲击性能较高。

1.3热收缩率和热稳定性研究Cho等[16]研究者在真空条件下，对酚醛树脂浸润竹纤维和纯竹纤维分别在700、900和1 200 ℃做了碳化实验，对比分析2种纤维碳化过程中热收缩率和失重，发现酚醛树脂浸润竹纤维随着碳化温度升高，碳含量增加，而热收缩率减少，说明酚醛树脂浸润竹纤维的热稳定性增强。扫描电镜碳化后的酚醛树脂纤维形态表明，其仍保留竹纤维与树脂浸润的细胞结构。

1.4动态润湿性能和粘附性研究Fuentes等[17]研究人员使用分子动力学理论分析润湿竹纤维的动态润湿性能，结果表明竹纤维表面是润湿分析一个较好定义的系统，对各种热塑性基体（聚丙烯，马来酸酐接枝的聚丙烯，聚偏二氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯）的润湿行为进行了表征。使用物理-化学-机械集成的方法研究附着力对竹纤维增强热塑性复合材料的机械强度的影响，也就是增加附着力可以提高竹聚偏二氟乙烯复合材料界面和纵向强度，在该研究中对竹纤维和聚偏氟乙烯的表面能成分进行匹配，从而提高了复合材料粘附性。

1.5断裂应力研究Huang等[18]人研究用改性大豆蛋白树脂和微米/纳米级竹微纤维制成的环境友好的复合材料，结果表明随着竹微纤维的添加，大豆蛋白浓缩物试样没有出现断裂应变显著下降，反而使大豆蛋白浓缩物断裂应力和杨氏模量显著增加，韧性增强。 然后使用三乙氧基硅烷（ITES）交联竹微纤维增强大豆蛋白树脂，结果表明虽然断裂强度增加不大，但是使用ITES复合材料断裂韧性显著增加。

1.6摩擦性能研究Nirmal等[19]人研究竹纤维增强环氧树脂复合材料和环氧树脂材料固化零件的摩擦性能，通过电镜扫描图片分析材料的摩擦磨损机理。

2國内竹塑复合材料的研究

2.1竹粉改性对竹塑复合材料的影响相容剂EVA可以改善竹粉与高密度聚乙烯（HDPE）之间的相容性。利用马来酸酐（MAH）为界面改性剂，选用聚乙烯蜡对竹粉进行表面改性处理是提高竹塑复合材料性能的有效方法[20]。添加马来酸酐，聚丙烯和竹粉的界面粘附性、力学性能显著增强，加工性能也得到改善[21]。采用氢氧化钠、氯化苄对竹粉进行塑化改性，塑化竹粉/低密度聚乙烯复合材料的拉伸强度和弯曲强度比未处理的复合材料高。塑化竹粉/聚乙烯复合材料具有良好的热融合稳定性[22]。竹粉经过钛酸酯偶联剂改性后，吸潮率降低，竹粉/PVC复合材料力学性能显著提高。添加接枝马来酸酐比未添加的竹粉/PVC复合材料力学性能有增强效果，通过SEM分析接枝共聚物PVC复合材料相容性好[23]。

2.2添加竹纤维对竹塑复合材料的影响张迎晨等[24]人研究添加竹纤维聚丙烯/聚乳酸热塑性树脂对加工性能、形态学和流变性能的影响，结果表明添加竹纤维改善了聚乳酸的分散性并且提高了复合材料的韧性，添加马来酸酐接枝聚丙烯、聚乳酸和竹纤维，提高了复合材料的界面强度和流变特性，使复合材料形态和流变特性发生显著变化，改善了与聚乳酸分散性和提高竹纤维与树脂的相互作用，确立了复合材料聚丙烯/聚乳酸/竹纤维/马来酸酐的流变、形态和热性能最佳配比。聚丁二酸丁二醇酯和竹纤维复合材料以及聚乳酸和竹纤维复合材料都是可以自然降解的材料，添加硅烷偶联剂使它们的材料力学性能有显著增强效果[25-26]。

2.3竹粉颗粒大小对力学性能的影响用40～100目竹粉制备竹塑复合材料，结果表明在竹粉添加比例相同的情况下，采用40目竹粉制备的竹塑复合材料各项性能较优。

3结语

我国竹林资源丰富，竹子与木材相比具有生长周期短、力学性能优良等特性。竹纤维以及竹粉获取容易、制备方法简单、成本低等诸多优点使竹塑复合材料具有更广阔的市场和应用领域。

未来竹塑复合材料力学性能、热稳定性、机械加工性能、自然降解以及抗老化等方面仍然是研究竹塑复合材料的基本问题。

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