竹纤维增强热塑性塑料复合材料研究进展

金 霄，张效林，邓祥胜，徐 冲，聂孙健

(西安理工大学印刷包装与数字媒体学院，陕西 西安 710048)

竹纤维增强热塑性塑料复合材料研究进展

金 霄，张效林*，邓祥胜，徐 冲，聂孙健

(西安理工大学印刷包装与数字媒体学院，陕西 西安 710048)

对竹纤维增强热塑性塑料复合材料的基体和增强体、成型工艺、界面改性技术的国内外研究现状进行了综述，分析了原料、物料配比以及成型工艺对竹纤维增强热塑性复合材料性能的影响，同时介绍了用竹纤维与可降解塑料制备复合材料的研究现状。重点阐述了原材料表面预处理、接枝共混以及硅烷、钛酸酯为主的偶联剂对复合材料改性效果的影响。最后简要分析了竹纤维增强热塑性塑料的发展趋势，并对竹纤维增强热塑性塑料未来研究重点进行了简要阐述。

竹纤维；热塑性塑料；复合材料；成型工艺；界面改性

0 前言

21世纪资源日益短缺，各种原材料的价格日益上涨，人们迫切希望能利用可再生资源开发新型复合材料[1-2]。可再生的天然植物纤维开始引起人们的关注，天然纤维因其特有的优点可以替代合成纤维来制备复合材料[3]。天然植物纤维在自然界中资源丰富，成本较低，最重要的是可自然降解，与可降解塑料制备的复合材料属于环境友好型的产品，是环保复合材料发展的重要方向之一。竹纤维作为植物纤维中重要的一员，在复合材料行业的应用中具有极大潜力。竹纤维由于其特有的结构、良好的力学性能和热性能，使其在纤维增强复合材料行业备受关注[4]。研究人员采用各种方法从竹材中提取竹纤维，通过对竹纤维进行改性处理，与热塑性塑料按一定比例加工成型，制得的竹纤维增强热塑性塑料具备竹材和塑料的双重优点[5]。本文主要对竹纤维增强热塑性塑料复合材料的研究发展现状进行了综述。

1 增强体和基体

1.1 竹纤维

竹纤维中纤维素、纤维素以及木质素的含量占90 %以上，这些是其主要化学组成，另外还有果胶、灰分等其他物质。竹纤维与其他木纤维相比，纤维素含量较高，木质素和半纤维素的含量远高于苎麻、亚麻等其他木纤维。竹纤维与其他木纤维相比，纤维的长径比和比表面积较高，其纤维缠绕交织性强，纤维之间的结合强度也更大，所以纤维强度比一般木纤维要高。竹纤维具有优于其他植物纤维的几个优点，例如其低密度、低成本、高力学性能和刚度等，用竹纤维制备的复合材料一般都具有良好的力学性能。由于竹子生长地域、种属以及不同部位的竹纤维成分都有差异，这些因素都会影响竹纤维的宏观性能[6]。

生产中常从毛竹中获得竹纤维，毛竹广泛分布于我国长江中下游及沿海，实践证明用6年生的毛竹制备的竹粉的竹纤维含量达到最高[7-8]。通常采用机械方法粉碎竹条，而后根据其用途采用机械或化学方法提取纤维素。化学法一般用氢氧化钠对竹材进行水解获得纤维素，然后再用其他化学法提纯纤维，化学法可以制备更理想的竹纤维，机械法相对化学法虽然成本高，但是对环境污染小。国外的Yao等[9]针对竹纤维的提取工艺，对各个工艺环节进行研究总结，提出了一套比较完善的纤维提取方法。Okuba等[10]将竹材放在高压下，用蒸汽爆破的方法提取竹纤维，发现这样提取的竹纤维结构完整，制备的复合材料性能也较好。

复合时采用的竹纤维形态主要是纤维态和粉态，研究发现竹纤维的粒径和添加量对竹塑复合效果影响显著。竹粉粒径一般选用75～380 μm[11]，竹粉粒径决定竹纤维在基体中的分散程度，最终影响材料性能。

童晓梅等[12]研究了竹粉粒径、添加量以及碱处理对水热老化试样力学性能的影响，发现用浓度7 %碱液处理后的竹粉，在竹粉选用粒径为125 μm，添加比例为20 %时，聚丙烯/竹纤维试样具有较高的力学性能。Kinoshita等[13]用不同长度的竹纤维和不同粒径的木粉增强可降解塑料，然后研究其力学性能，发现添加长竹纤维的材料有高弯曲模量和韧性。相比之下，加入木粉的粒径越大，弯曲强度反而越小，冲击性能却随之增大。

周中玉等[14]在研究纤维含量对竹纤维增强热塑性塑料的影响时，发现随着竹纤维的加入，聚丙烯/竹纤维的弯曲模量先增大后减小。何文等[15]在制备高密度聚乙烯/竹纤维复合材料时，通过改变竹粉粒径和添加量，测试材料的力学性能，还研究了材料在吸水、吸湿方面的性能。Lee等[16]同时用竹纤维增强聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯(PBS) 2种材料，发现纤维含量的改变会影响材料的拉伸性能。

1.2 热塑性树脂基体

基体树脂的选择会直接影响材料性能。针对不同的用途，目前竹纤维增强热塑性塑料选用的热塑性树脂基体主要分为不可降解和可降解的2种。

1.2.1 不可降解树脂基体

目前，常采用的非降解树脂基体主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。这些热塑性树脂在一定的加工温度下，可以塑造成所需要的产品形状，所以广泛应用于竹纤维增强热塑性塑料的制备中。

Ren等[17]用竹浆纤维来增强聚乙烯，研究了复合材料的力学性能和热性能。Haddou等[18]研究了交联聚乙烯(XLPE)/竹纤维的力学性能和热性能，结果表明，竹纤维能明显增强聚乙烯的力学性能，并且竹粉的加入不会影响聚乙烯的松弛温度。龚新怀等[19]用碱和偶联剂改性聚丙烯/竹纤维复合材料，研究纤维含量和改性处理对复合材料的影响。Huda等[20]对比竹纤维和黄麻纤维对聚丙烯的增强效果，结果显示，用竹纤维制备的复合材料具有更好性能。Qian等[21]用水热处理过的毛竹纤维和聚氯乙烯复合，对比不同温度处理下复合材料的拉伸和弯曲性能。

1.2.2 可降解树脂基体

可生物降解树脂的选用是针对竹纤维的可降解性，竹纤维最为一种天然纤维，具有很好的生物降解性。常用的可生物降解性树脂有聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚 - β - 羟丁酸(PHB)以及PBS等，这些树脂不仅具有优良的可降解性，还有良好的可塑性，与竹纤维复合制备的材料是环境友好型的绿色材料。目前对于植物纤维与可降解塑料复合的研究，国外的研究相对较多。

国内的郑霞等[22]用注塑方法制备聚乳酸/竹纤维复合材料，并研究其自然降解性能。国外的Ochi[23]研究发现，当竹纤维含量为70 %，加工温度选用160 ℃时，对聚乳酸的增韧效果最好。Sujaritjun等[24]对比不同植物纤维对聚乳酸的增强效果，发现竹纤维增强效果最好。华南理工大学的刘美君[25]用竹纤维增强聚3 - 羟基丁酸酯4 - 羟基丁酸酯(P34HB)可降解塑料，研究竹纤维不同改性方法对其力学性能和热性能的影响。Sanjeev等[26]用挤出注射成型法制备聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)/竹纤维复合材料，并研究纤维含量对其力学性能的影响。Zhang等[27]实验发现竹纤维与PBS复合的产品的力学性能和热稳定性比稻草、秸秆纤维更好。用廉价的植物纤维来增强可降解塑料，可明显改善基体树脂本身的缺陷，制备环境友好的可再生性绿色产品，具有广阔的发展前景。

2 竹纤维增强热塑性塑料的成型工艺

竹纤维增强热塑性塑料的制备工艺多样，常见的主要是3大类：挤出成型、热压成型和模压成型。并且不同的加工方式，得到的成型效果也不同。

挤出成型是工业化生产的主要方式。挤出成型要求原料为颗粒状，要先将竹纤维和热塑性塑料混炼后加工成颗粒状，以便在挤出机中能够完全塑化。在挤出成型过程中的加工温度、压力、螺旋杆转速等条件的控制非常重要，当温度在200 ℃以上时，植物纤维会出现降解甚至焦化现象，不利于复合材料的制备，所以挤出成型过程中的温度一般设定在200 ℃以下，但不得低于基体塑料的熔化温度。何强等[28]用双螺杆挤出机制备了高密度聚乙烯/竹粉复合材料，研究挤出成型生产工艺中参数调控对复合材料性能的影响。

热压成型是将预制好的竹纤维膜片叠放入液压机中，通过加热加压制成复合板材，这种工艺复合效果好且稳定，生产效率也较高。Wang等[29]用热压法制备聚氯乙烯/竹纤维复合材料，研究成型过程中复合材料含水量对材料弹性模量的影响。Zini等[30]对比挤出成型和热压成型制备的聚乳酸/竹纤维复合材料，发现热压法制备的材料力学性能更好。常见的编织成型工艺是将编织好的竹纤维和塑料放入层压，从而制备质轻高强的复合材料。

模压成型是目前制备竹纤维增强热塑性塑料最常用的方法，主要是将竹纤维和可塑性塑料的混合物放入预制的金属模具中，然后施加一定温度和压力使其熔融成型。李正红等[31]通过对竹纤维增强热塑性塑料模压复合板工艺参数的研究，发现物料配比为5∶5时，在120 ℃下热压10 min时生产的复合板性能最佳。Goda[32]在模压制备复合材料时，先将竹纤维置入模具中，采用液状的基体塑料，添加塑料的同时加热蒸发水分，然后在一定条件下制备绿色复合材料，这种方法不仅使原料的利用率高而且制备的复合材料性能更好。

除以上3种常见的成型方式外，国外有人采用溶液法在溶液中制备PHA/纤维素复合材料，通过选用合适的溶剂让材料在溶液中完成复合。Hosoda等[33]在氯仿中制备PHBV/纤维素复合材料，采用的纤维素为凝胶态，实验发现，复合材料的力学性能的各参数都得到显著提升。溶液法中溶剂的选择非要重要，否则达不到所要的效果，而且该方法对原料的有一定要求。

针对产品的需要合理选择成型工艺至关重要，针对不同性质的基体树脂，需要加工方式也不同。加工温度和加工时间是成型过程中比较重要的参数，影响产品的成型效果和性能。目前竹纤维增强热塑性塑料的复合工艺中，温度的选控还需大量的实际经验总结。

3 竹纤维增强热塑性塑料的界面改性

3.1 竹纤维的表面预处理

提高竹纤维增强热塑性塑料相容性的最常见方法就是对竹纤维进行改性预处理，主要方法分为物理改性法和化学改性法。

物理法预处理过程后，竹纤维形态结构组成会发生变化，纤维的可及表面和小孔数增加，在复合过程中纤维与塑料会有更多的接触，结合程度从而得到增强。现阶段常用的物理改性方法包括蒸汽爆破法、等离子体放电法、电晕法等。Yusoff等[34]用蒸汽爆破法提取竹纤维，研究了聚乳酸/竹纤维的力学性能。Xu等[35]在标准大气压下用氩等离子体放电处理竹纤维，发现处理过的纤维表面更粗糙，同时纤维的润湿能力和可染性大大提高，随着处理时间的长短变化，提高幅度也有所变化。尽管等离子放电处理法具有改性效果明显、环境污染小等优点，但目前存在设备投入大，产量较低等问题，在国内还未得到广泛使用。

化学改性是用化学方法处理竹纤维，处理后的纤维不仅结构发生变化，其自身性质也会有一定改变，复合过程中纤维和基体能形成更多的键位结合，从而增加其相容性[36]。常用的处理方法有碱处理、酯化、酚化、醚化等。王春红等[37]用碱处理竹纤维，通过微观结构分析处理前后竹纤维的表面，同时对聚丙烯/竹纤维进行力学测试，发现碱处理过的竹纤维断裂强度高，并且与聚丙烯的黏附增强，同时材料的弯曲模量比未处理时明显提高。姚静[38]用聚乙烯蜡处理竹粉后，加入马来酸酐改性制备竹纤维增强热塑性塑料，发现经过处理后竹纤维增强热塑性塑料的性能得到显著提升。任兵杰等[39]用热化学酚化技术处理竹粉，然后接枝改性制备聚乙烯/竹纤维复合材料，发现制备的复合板材的力学性能优异。Chattopadhyay等[40]用不同化学试剂对竹纤维进行改性，然后制备聚丙烯/竹纤维复合材料，发现不同化学改性方法对聚丙烯复合材料的力学性能有很大影响。Phuong等[41]用碱和乙酰2种不同方法处理竹纤维，发现处理后纤维与基体的结合增强，材料物理性能也明显提升。

3.2 界面改性

对基体塑料进行处理也是一种常见的方法，主要是用各种方法改善塑料的表面以提高其与纤维的相容性。赵娟等[42]用马来酸酐接枝相容剂改性聚丙烯，用于提高其与竹粉的相容性，结果表明，马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)可提高竹粉与聚丙烯的黏合力，复合材料的性能也得到提升。Su等[43]研究发现，用马来酸酐接枝后的聚已内酯与竹纤维的复合性能更好。Plackett等[44-45]用马来酸酐处理聚乳酸后再与植物纤维复合，改性后的聚乳酸和纤维的相容性明显提高。Anderson[46]研究不同界面改性剂对复合材料耐水性和力学性能影响，得出改性效果聚异氰酸酯>羧基聚酯>环氧树脂≈马来酸酐接枝的结论。Bengrsson等[47]在氧化二异丙苯引发下，对聚合物进行接枝以增强其与纤维的结合强度。

使用偶联剂也是改善复合界面的常用方法。偶联剂又称为表面改性剂，在复合材料中用作塑料添加剂以增强界面相容性。目前常采用的主要是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等。万正龙等[48]用钛酸酯改性聚氯乙烯/竹粉复合材料，发现经过钛酸酯处理后，材料的拉伸性能和韧性提升。辛治坤等[49]对比不同偶联剂处理后的PBS/竹纤维复合材料，通过对材料的性能测试发现KH560的处理效果最佳。Jiang[50]在制备PHBV/竹纤维复合材料时，发现偶联剂基甲烧异氰酸酯(pMDI)的加入使复合材料的强度和模量进一步提升。Cui等[51]先用碱处理纤维，再加入偶联剂改进界面，结果发现偶联剂处理进一步提高了材料强度。徐有明等[52]改变偶联剂用量来制备复合材料，发现偶联剂太少起不到改性作用，太多反而会影响材料性能。Kim等[53]合成了一种新型偶联剂，加入聚氯乙烯/BF复合材料中能明显增强其界面相容性。

添加界面改性剂操作工艺相对简单，是目前实际应用中常用方法之一。但竹纤维增强热塑性塑料界面改善方法相对单一，近年来没有太大进展，未来在新型环境友好型界面改性剂、多功能复合界面改性剂等方面依然有较大的研究空间。

4 结语

竹纤维因其来源广泛、成本低廉，以及自身优异的力学性能，在复合材料行业具有极大的应用潜力。近年来对于竹纤维用于复合材料的研究主要集中在纤维表面预处理、界面改性对复合材料力学性能改善。同时竹纤维与可降解塑料复合得到环境友好型产品也开始引起人们重视，具有诱人的发展前景。

结合竹纤维增强热塑性塑料的研究现状，接下来该类复合材料的研究将需要进一步系统探讨竹纤维系统、结构及分布对复合材料性能的影响情况，深入研究竹纤维预处理及改性方法，完善对竹纤维增强复合材料界面特性及成型机理的研究，进一步提高竹纤维增强热塑性塑料产品的稳定性以及综合应用性能。

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ResearchProgressofBambooFiberReinforcedThermoplasticComposites

JIN Xiao, ZHANG XiaoLin*, DENG Xiangsheng, XU Chong, NIE Sunjian

(Faculty of Printing, Packing Engineering and Digital Media Technology, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

This paper reviewed the research progresses of matrices, reinforcing agents, processing technologies and interfacial modification techniques of bamboo fiber-reinforced thermoplastics composites and analyzed effects of raw materials, formulation and processing technologies on properties of bamboo fiber-reinforced thermoplastic composites. Meanwhile, the current research status of bamboo fiber-reinforced biodegradable plastic composites was introduced. Moreover, the paper especially introduced the effects of surface pretreatment methods for raw materials, graft copolymerization, and the use of coupling agents on properties of the composites. Finally, the trend in the development of bamboo fiber-reinforced thermoplastics composites was expounded, their emphases for future researches are briefly described.

bamboo fiber; thermoplastic; composite; molding process; interface modification

TQ327.9

A

1001-9278(2017)10-0006-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.10.002

2017-03-16

陕西省自然科学基金(2015JM3080)、西安市碑林区科技计划项目(GX1712)

*联系人，zxlbmm@sina.com