麻纤维_可降解聚合物复合材料研究进展.pdf
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1、随着化石资源的枯竭和传统塑料使用带来的环境问题日益严重,可生物降解的聚合物材料越来越受到人们的关注。目前可降解聚合物的力学性能与传统塑料相比仍然存在一定差距,限制了其应用与发展。将麻纤维加入到可降解聚合物中可以降低复合材料的脆性,提高材料的强度及热稳定性,增强阻隔性能。本文综述了近年来基于不同麻纤维 可降解聚合物复合材料的制备方法、应用和性能增强机理研究,同时指出了目前研究中存在的问题和未来的研究发展方向。关键词麻纤维;纤维素;可降解材料;复合材料中图分类号 文献标识码 文章编号 (),(,),;塑料在人类社会发展过程中发挥着重要作用,广泛应用于生产、生活中的各个领域。然而塑料中往往含有有害化
2、学物质,且在自然环境中难以降解,废弃的塑料在水和土壤中的积累会引发持续数百年的生态破坏,对生态系统中的动植物和人类社会造成巨大的危害 。近年来,由于化石资源的枯竭和传统塑料使用带来的环境问题日益严峻,人们越来越关注于利用可生物降解或生物基聚合物开发可降解、可再生、对环境收稿日期:基金项目:中国农业科学院科技创新工程项目();国家麻类产业技术体系麻纤维膜生产岗位项目();中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(,)通信作者:谭志坚,博士,研究员,博士生导师,研究方向:新型离子液体 低共熔溶剂等绿色溶剂制备及应用、可生物降解膜研发及其应用、食品和天然产物活性成分绿色分离,:。邢忱等:麻纤维 可降解
3、聚合物复合材料研究进展无害的聚合物材料,包括聚乳酸()、聚己二酸 对苯二甲酸丁二醇酯()、聚羟基烷酸酯()、聚 羟基丁酸酯()、聚己内酯()和聚丁二酸丁二醇酯()等 。这些可生物降解的聚合物材料可被存在于土壤中的好氧微生物分解,并在几个月内转化为二氧化碳和水,从而分解至大气和土壤中,是传统聚乙烯()塑料的理想代替物。并且与传统塑料相比,生物基聚合物具有无毒性、生物相容性、可降解性、可持续性和良好亲水性 。可降解聚合物按照聚合物的合成来源分为 类:()生物合成聚合物,如淀粉、纤维素及壳聚糖等利用天然资源生产的聚合物;()半生物合成聚合物,由聚合物单体经发酵、共聚工艺而制成,如 、等;()化学合成
4、聚合物,如 、聚酯酰胺等 。此外,按照可降解聚合物的结构及原料来源,可以细分为脂肪族聚酯、脂肪族聚酯 酰胺、纤维素酯、淀粉塑料和蛋白质塑料等 。理想的可生物降解塑料应该在拥有良好的机械性能以满足应用需求的基础上,实现可完全降解,在废弃后可以在自然环境中被完全分解并安全无污染地回归自然界。目前可降解聚合物的机械性能、阻隔性能等与传统塑料相比仍然存在一定差距 ,通过加入可降解的生物纤维填料对其进行改性增强,既可以按需求提升材料机械性能或阻隔性能,又可以保障材料降解性能,是一种理想的提升可降解聚合物性能的方法。麻纤维早期被用作纺织原料,是人类最早使用的天然纤维之一 ,具有来源广、机械性能好、比模量高
5、等优点 。麻纤维 可降解聚合物复合材料对环境友好、可降解、可再生,且高强度、高韧性的麻纤维可以改善许多可降解聚合物脆性过高、耐冲击性能不足的缺点 ,得到综合物理化学性能优于原组成材料的复合材料 。本文将综述麻纤维应用于可降解聚合物改性增强的主要成型方法以及麻纤维 可降解聚合物复合材料的主要工艺、性能及应用研究,并从复合机理、界面改性、成型方法和性能研究方面对麻纤维 可降解聚合物复合材料的发展进行总结和展望。麻纤维概述麻纤维指的是从各种麻类植物中取得的纤维,是一种重要的天然植物纤维素。作为麻纤维来源的麻类作物是我国重要的经济作物,在国家资源战略中占有重要的地位。麻纤维以纤维所在的植物部位进行分类
6、,如韧皮纤维和叶纤维,主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和其他成分构成,各成分含量因种类不同而有差异 。常见麻类作物的种类和化学组成如表 所示。麻类作物种类繁多,韧皮纤维麻类作物主要包括黄麻、亚麻、红麻和苎麻等,剑麻则属于叶纤维麻类作物。这些麻类作物的纤维素含量较高,纤维素含量决定着纤维的模量、强度、断裂伸长率等主要性能 。表 常见麻类作物的化学组成 作物种类部位(纤维素)(半纤维素)(木质素)(果胶)(其他)大麻苎麻黄麻红麻亚麻韧皮 剑麻叶 麻纤维价廉质轻、来源广泛、可再生,且韧性好、力学性能优良,各类麻纤维特有的性能使其在悠久的历史中发挥着各自的作用。如苎麻纤维如丝绸般的外观、高机械强度
7、和高吸湿能力使其成为受欢迎的纺织原料之一 。得益于这些优点,苎麻纤维可以织成各种工业用布料、电线包被、人造丝网、人造棉等,苎麻纤维与棉花、羊毛通过混纺可制成衣料,苎麻的短纤维可以作为人造丝、火药、高级纸张等用品的原料。黄麻纤维由于其来源丰富、可生物降解、价格低廉、质量轻、机械性能突出等优点,其作为重要原料已经成功应用于汽车内饰、建筑家居等领域 。亚麻纤维耐高温、不易燃、电导率低,具有较好的散热性与吸湿性,同时具有一定的抑菌保健作用,应用广泛,已被作为制作帆布、航空材料、消防设施、医疗保健服装、室内装饰布及刺绣工艺品等的原料 ,。剑麻纤维的拉伸力大、弹性较强、摩擦性能好且纤维本身具有较好的光泽,
8、可作为增强第 期材料应用于建筑材料、轮胎内层、缆绳、机器的传送带等 ,。得益于麻纤维良好的力学性能,近年来,麻纤维已成为复合材料增强体中研究与应用最广泛的天然植物纤维之一 ,其与可降解聚合物形成的麻纤维 可降解聚合物复合材料对环境友好,可完全降解。麻纤维还具有耐摩擦、耐腐蚀、耐高温,且防霉抑菌、防紫外线和吸音、保温等特性,是绿色生物基复合材料的理想原料。麻纤维 可降解聚合物为了更好地解决经济与环境可持续发展问题,德国航空航天结构力学研究中心于 年首次提出天然纤维增强可生物降解聚合物基复合材料新思路。自此,将麻纤维、竹纤维等天然纤维作为增强体填入淀粉、等可降解聚合物中而制成的复合材料备受关注并且
9、不断被研究 。黄麻纤维 可降解聚合物复合材料黄麻纤维的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,含量分别为 、和 ,也存在少量果胶、灰分等其他物质。黄麻纤维的化学成分、比例及力学性能受到品种、土壤条件、收获情况、收割方法的影响。不同黄麻纤维的力学性能差异较大,通常拉伸强度为 ,杨氏模量为 ,断裂伸长率为 。等 通过双螺杆挤出机共混制备了黄麻 复合材料,并研究了黄麻 复合材料的酶降解行为和动力学,研究过程如图 所示。黄麻纤维增强的 复合材料具有完全可生物降解的特性,对酶环境高度敏感,同时具有相对 更好的机械性能。为了阐述黄麻 复合材料的酶促降解机制,研究者将复合材料在含有蛋白酶、纤维素酶、木质素酶和果
10、胶酶的酶溶液中进行了 天的降解。对酶促降解过程中吸水率、结晶度、分子量、形貌、化学成分的变化进行了实验评价。根据研究结果,作者基于 动力学方法提出了降解动力学,整个降解过程分为 个阶段,分别是 的大分子链、纤维 基体界面和黄麻纤维的降解过程。蔡新娟 采用乙醇预处理结合等离子体处理(处理参数 )对黄麻纤维毡表面进行改性,制备了 种不同面密度的改性黄麻纤维毡(分别为 ,和 ),然后通过层叠热压法得到了等离子体改性黄麻纤维毡增强 复合材料。通过对复合材料力学性能进行检测与分析,研究结果表明 面密度的黄麻纤维毡 复合板的力学性能最佳,得到的复合材料层间剪切强度为 ,拉伸强度为 ,弯曲强度为 。等 开发
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