世界新型天然复合材料研发一瞥

2019-11-28刘祝言王荔妍

中国纤检 2019年11期

文/刘祝言王荔妍

复合材料视角耳目一新

洋麻是非洲、亚洲热带和亚热带常见的野生植物。几十年来，它作为复合纤维逐渐成为无纺业材料的来源之一。从商用价值上看，这种植物与任何其他纤维植物相比，对气候和土壤的适应性都更广。这就是为什么近年来，以植物纤维基的复合材料研发引起业界越来越大兴趣的缘故。

复合材料工业是高速增长的行业，根据两大市场情报机构的数据，到2022年，全球复合材料工业将逾1000亿美元。总部位于巴黎的杰克复合材料公司（Jec Composites）统计的数据表明，在2015—2016年，复合材料行业从750亿增长到820亿美元，2017—2018年，它继续保持猛增的势头，预计到2021年该行业市值将达1030亿美元。另据一家西方行业媒体（MarketsAndMarket™）咨询公司预计，该行业的复合年增长率约为8%，到2022年，市值将达到1150亿美元。另一有趣的事实是，该行业的增长率远远高于欧美发达经济体的GDP。这一正增长数字为业界持续投资提供了足够的信心。要了解其因，我们最好先探究最新复合材料的知识。

复合材料要达到特定应用所需的性能，它必须按多种组分形成。混杂结构的产生是由于使用不同的材料，如不同的纤维或不同材料制成的不同结构形式。例如，软性复合材料可由棉制成的机织或制成无纺，可以获得更大的吸音效果。如今，复合材料已分为柔性（软）和刚性（硬）复合材料。涉及塑料和金属基质的硬复合材料很常见，在汽车、航空航天和其他重型工程领域都有广泛的应用。软复合材料虽然结构柔韧，但其强度很大，在工业和消费领域的应用十分广泛。除了这两种分类之外，还有一种复合材料，包括软硬成分混合的混杂复合材料。其结构比刚性结构更灵活，纤维基复合材料就是一例。纤维材料在本质上是黏性的，具有弹性，这一特性有利于开发与人互动的复合材料，如防弹衣。

软性复合材料大受青睐

目前，纤维基软复合材料的应用例证是无纺擦拭布，这种产品是一种在打入消费市场的同时获得成本和特性平衡的经典模式。由于这些柔软的复合材料以一次性和半耐用市场领域为目标，消费量增加较快，因此其市场价值也随之上升。一家名为史密斯尔·皮拉（Smithers Pira）的复合材料咨询企业最近发布的报告称，目前的无纺湿巾全球市场价值为166亿美元，到2023年预计将达218亿美元。

人们对环境污染的认识日益提高，甚至在印度这样人口稠密的国家，也正在从使用合成材料和塑料材料转向使用天然纤维变性材料。2018年，印度政府就推出到2022年印度将全面禁止使用一次性塑料的计划。例如，印度拥有较高工业化的地区，泰米尔纳德邦和马哈拉施特拉邦正在实施减少塑料污染的政策，这给纺织业和其他行业带来了开发可生物降解产品的机遇。印度和世界其他地区最近的重大举措是，为复合材料行业鸣锣开道，提供大量机会，向环境友好型研发投入巨资。

美国与印度政府都已相继在复合材料研究上投入大量资金。美国在田纳西大学诺克斯维尔分校创建了高级复合材料研究所。印度政府也在其发展包括复合材料在内的技术纺织领域的计划中，投资创建了两家复合材料研发中心，旨在完成相关研究，其中哥印拜陀研究所专注于复合材料工业的应用；伊恰尔卡兰吉研究所则专注于无纺品研究。

10多年前，德国不来梅大学、美国农业部（USDA）、新奥尔良农业研究局（ARS）和田纳西大学（University of Tennessee）相继创建合作关系。他们着眼于利用棉花开发车用纤维基复合材料零部件。其首要目标是减少汽车中塑料零件的使用，并开发出高质量的车门板、车顶衬里部件和其他天然材料零件。他们先后成功研发出隔音、高蓬松的材料。

美国堪萨斯州立大学吉塔·拉马斯瓦米教授开创了利用洋麻等天然纤维替代工业纺织品的研究。阿肯色州立大学也进行了类似的研究，该大学研究了洋麻和棉花混合成软复合材料的应用。美国农业部在奥本大学资助的一项目研究了利用鸡毛开发复合材料的各种应用。

新型复合材料标新立异

在材料科学中，单个材料往往有其局限性，而软硬并济、刚柔兼备的材料有着广泛的应用范围，这引发科学家从建筑、运动器材到防护服装开展更多的研究。这是因为复合材料将两种或两种以上的材料结合在一起，提供了新的特性。旨在提高性能，使之成为具有综合功能的理想形式。下列最新应用让人大开眼界。

1.通过仿生增强性能

美国马萨诸塞州立大学和华盛顿大学圣路易斯的研究人员利用鲍鱼壳的生物原理，联合研发出一种能够承受极端机械力的仿生复合材料，英文称之为“nacremimetic”。不仅如此，这种材料还具有延展性。这种延展性复合材料可用于3D打印，飞机机翼的结构，也可用于LED供电电路的预埋铜线，还能用于镍铬合金前缘镶嵌材料。

研究人员将丝素蛋白和氧化石墨烯薄片结合在一起，制成了一种具有独特多级结构的纳米复合材料。他们在试验中发现，石墨烯氧化物薄片从无相互作用的孤立片演变为部分重叠的延展片。研究结果表明，纳米组分的形貌及其相互作用对该类纳米仿生复合材料的可扩展性至关重要。在这些新型仿生复合材料的研发中，测试是至关重要的，它常常提醒人们，材料科学面临着相当独特的挑战。

纳米层状复合材料（NLC）结构是目前研究的一种制备模拟仿生复合材料的工艺。中国东北大学和中国科学院（沈阳）研究人员正在对NLC结构进行惰性测试。为克服复合材料的结构疲劳问题，他们在逐层组装和化学镀液沉积试验过程中取得成果。测试包括弹性模量、硬度、断裂韧性、应变幅值以及疲劳极限。

2. 铺纤技术的创新

由于专业高性能纤维的成本不断上升，高强度、低重量的复合材料需求越来越大，纤维铺设技术的创新发展已迫在眉睫。美国密歇根州一家称为雷司迪奇的公司（LayStitch™）研发出许多具有特殊功能的机器，专为碳纤维复合材料铺设制造纤维束或粗纱，然后将纤维包缝到基材上。基材通常是无纺布，可在加工过程中拆除，也广泛应用于从假肢到汽车零部件的系列行业中。而德国科技开发公司（Technology GmbH）则致力于自动化定制纤维铺设，称为TFP，他们因此创新研发出TFP自动化定制纤维铺设工艺。而该系统足能处理厚度范围为3K～50K的碳纤维，以及玻璃纤维、芳纶、钢铁、玄武岩和陶瓷。

美国爱达荷州延展性复合材料公司研发出一种将材料与3D打印相结合的技术，并获得延展性纤维3D打印(CF3D)的专利。随着纤维铺设所需，快速固化树脂的应用替代了模具。这为企业节省了成本和空间，并给创新留出位置，这一新技术将淘汰传统的复合材料制造工艺。不同的高性能纱线，如碳纤维和玻璃纤维等都能被利用。在铺设纤维的过程中还可引入额外的功能，包括光纤传感、铜和镍铬合金线。这可有效地使其成为一种智能复合材料，能够感知环境并收集数据。例如，为LED灯或加热元件供电。成品和复合材料生产相结合，可减少步骤，提高生产效率和环境效率。

军事与控污领域

复合材料在国防和航空航天领域的应用占有重要地位。军事、污染控制涉及软、硬材料。诸多复合材料研发中使用了织物、针织物和无纺结构材料。在许多应用中，无纺的多孔结构非常方便，既需要绝缘，也需要吸收特性。此外，短纤无纺的制备工艺，如热键合、针刺和水性作用等可作为开发柔性复合材料相互关联的技术。

无纺的梳理工艺已有效地应用于开发软质复合材料，在国防和污染控制方面都有应用。一种产品利用针刺工艺开发出一种强吸附力、层状的柔性复合材料，可快速吸走硫和农药等挥发性有机化合物。而柔软的湿巾可用于清洁战斗机、军事装备和人体皮肤的复杂部位，以防有毒物质泄漏和渗入。该技术采用了生产效率高、成本效益高的无纺布工艺（与织造相比）。这种成本和技术平衡的模式导致了迅速的商业化。美国一家科技公司已将该产品推向市场，目前该产品正被政府机构使用。

虽然软性复合材料使用不同的纤维来开发层状结构材料，但同样的工艺也用于开发涉及机织和混合无纺结构。美国纺织科技公司（Tex Tech Industries）利用针刺技术开发出柔性防弹板。无纺布层相互连接紧密，给防弹层提供了强化型保护。最近，印度金奈公司（Wellgro Tech）利用混合概念研发出可生物降解的复合材料，它可将油和水分离，以帮助清理海洋污染和漏油。

纤维基软复合材料在生物医学和过滤领域已大行其道。几十年前，美国唐纳森公司率先使用纳米纤维复合材料开发高效过滤器。纳米纤维由于表面积较大，可以吸附细小颗粒，而负面影响已实现了最小化。如今，纳米纤维生产技术已有改进，先进的纳米纤维网就是一例，它具有高强度和耐用性。

美国康涅狄格州立大学研究人员开发出环境友好型丝绸复合材料，用作骨折的支撑材料。一研究小组利用丝素蛋白研发出既结实又柔韧的复合材料。除利用丝素蛋白外，他们还融入了聚乳酸和羟基磷灰石等材料。