復(fù)合材料的廣泛使用帶來了廢物處置和環(huán)境問題。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的提高，人們開始使用環(huán)保、可持續(xù)和可生物降解的材料。幾十年來，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(NFRC)和可生物降解樹脂廣泛用于汽車、建筑和其他應(yīng)用。壓力容器、傳動軸、儲罐、管道等軸對稱部件都是通過纖維纏繞工藝制造的。纖維纏繞工藝一般用于合成如玻璃、碳、芳綸纖維。在纖維纏繞中使用天然纖維具有挑戰(zhàn)性，因為他們的纖維不連續(xù)、親水性強(qiáng)、與基質(zhì)的結(jié)合力差、位置分散、與合成纖維相比拉伸強(qiáng)度較低。

本文旨在探索天然纖維在長絲纏繞工藝中的潛力。植物纖維中高纖維素含量和低微纖維角(MFA)是天然纖維強(qiáng)度高的原因。表面改性技術(shù)提高了纖維和基質(zhì)之間的粘合性，從而提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。一些研究人員使用劍麻、亞麻和黃麻纖維進(jìn)行長絲纏繞工藝。

2017年至2024年期間，全球復(fù)合壓力容器合成材料市場預(yù)計將以23%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長。需要開發(fā)適合長絲纏繞的由天然和合成纖維制成的新型混合復(fù)合材料。

1、現(xiàn)狀

現(xiàn)有纖維分為合成纖維(例如玻璃、碳、芳綸等)和天然纖維(如黃麻、亞麻、劍麻、蕉麻、洋麻等)，基質(zhì)可以是聚合物(稱為聚合物基質(zhì)復(fù)合材料PMC)、金屬(稱為MMC)和陶瓷(稱為CMS)。大量使用合成纖維和基質(zhì)產(chǎn)生了廢物處理問題，因為合成纖維和基質(zhì)需要數(shù)年時間才能分解。與之相反，天然纖維易于處理，可充分降解。天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(NFRC)和可生物降解樹脂基質(zhì)材料包括小麥、淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、可生物降解聚酯等。合成纖維的制造需要大量的能源，并且在制造過程中會產(chǎn)生污染。根據(jù)先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所(IACMI-復(fù)合材料研究所，美國田納西州諾克斯維爾)的說法，在碳纖維制造中，熱氧化過程非常耗能耗時。

與之相比，NFRC重量輕、經(jīng)濟(jì)、可生物降解，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)的門板、車身面板、座椅靠背、內(nèi)飾等。且適用于手工鋪層、壓縮成型、注塑成型、真空輔助樹脂傳遞模塑、拉擠成型、纖維纏繞等。盡管天然纖維有這么多好處，但由于纖維纏繞技術(shù)制造存在挑戰(zhàn)，它們并未廣泛應(yīng)用于壓力容器、管道制造和氣瓶。天然纖維的長度較短，而纖維纏繞需要連續(xù)纖維，而且纖維應(yīng)具有足夠的拉伸強(qiáng)度，因為在纖維纏繞過程中會拉動纖維運(yùn)動。堿處理、乙酸、芐基異氰酸酯、乙炔硅烷、等離子、偶聯(lián)劑、臭氧處理等表面改性技術(shù)可提高纖維與基質(zhì)之間的粘附性，從而提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。全球復(fù)合材料壓力容器合成材料消費(fèi)按應(yīng)用劃分通常占  5% ，2016  年全球復(fù)合材料壓力容器市場規(guī)模為  4.34  億美元，到  2023  年將達(dá)到  18.71  億美元，預(yù)計  2017  年至  2024 年的復(fù)合年增長率  (CAGR)  為  23% 。

2、天然纖維

天然纖維是從植物、動物和礦物中提取的。動物纖維由蛋白質(zhì)，植物纖維由纖維素作為主要組成元素。水分、纖維排列、纖維處理、纖維分布等因素會影響天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。1939 年天然纖維被首次使用制造復(fù)合材料部件，亞麻與酚醛基體混合用于制造機(jī)身蒙皮。1942 年，亨利·福特使用大麻制造原型車。天然纖維作為復(fù)合材料增強(qiáng)材料的使用量一直在增加（2018  年總額為  4030  億美元），2010  年至  2018 年 的復(fù)合年增長率  (CAGR) 為   3.3% 。

3、用于長絲纏繞的可生物降解纖維

纖維可以是預(yù)浸漬的（用于濕法纖維工藝），也可以是預(yù)浸帶或預(yù)浸絲（用于干法纖維工藝）。最常用的合成纖維包括玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。干纖維在卷繞之前會浸入熱固性樹脂中。與熱塑性樹脂相比，熱固性樹脂需要更多的加工時間。熱固性樹脂的低粘度有利于在制造過程中對纖維的浸漬。熱塑性樹脂的粘度要高得多（是熱固性樹脂的三倍），這在制造過程中需要較大的壓力，導(dǎo)致殘余應(yīng)力，從而可能引起變形和基體開裂。通過纖維卷繞制造的管材的機(jī)械性能取決于纖維的張力，因此纖維的抗拉強(qiáng)度必須足夠高，以便將纖維卷繞在芯模上。天然纖維是親水性的，而樹脂是疏水性的，這削弱了纖維與樹脂之間的結(jié)合。天然纖維的表面性能可以通過物理處理（如電作用、等離子體、紫外線等）、化學(xué)處理（如堿處理、乙酰化、硅烷、芐基異氰酸酯、丙烯酸等）或生物方法（如酶處理、真菌處理、細(xì)菌纖維素涂層）來改善。在植物纖維中，纖維的機(jī)械性能取決于纖維結(jié)構(gòu)、微纖維角度、細(xì)胞尺寸和化學(xué)成分。纖維中的纖維素含量對植物（葉）纖維的抗拉強(qiáng)度、穩(wěn)定性和楊氏模量起著重要作用。纖維素含量越高，抗拉強(qiáng)度越高。葉片類型的纖維由纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和蠟組成。由于半纖維素是無定形的和非均勻的，半纖維素含量較高會降低抗拉強(qiáng)度。天然纖維的機(jī)械性能受到微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（如纖維素含量和纖維素結(jié)晶度）的嚴(yán)重影響。要獲得高強(qiáng)度，需要較高的纖維素含量和纖維素結(jié)晶度。同時，微纖維角度（MFA）也會影響纖維的強(qiáng)度性能。為了獲得高纖維強(qiáng)度，需要較低的MFA和較高的纖維素含量。木纖維的MFA范圍在3°到45°之間，而植物纖維（葉纖維）的MFA則相對穩(wěn)定，在6°到10°范圍內(nèi)。MFA與纖維強(qiáng)度（剛度）成反比。

4、天然纖維的表面改性

通過對纖維進(jìn)行表面處理，可以改善纖維與基體之間的附著力，并減少纖維的濕氣吸收能力。表面改性的方法有四種：

i)化學(xué)方法（如堿處理、硅烷處理、乙?；?、苯甲?；龋?/p>

ii) 物理方法（如等離子體、超聲波、紫外線等）；

iii) 物理與化學(xué)方法的結(jié)合（如堿加等離子體、堿加電暈、堿加硅烷等）；

iv) 生物方法（如酶處理、真菌處理、細(xì)菌涂層等）。

5、實際應(yīng)用

黃麻：

黃麻纖維的長絲纏繞應(yīng)用雖然較少，但一些公司已經(jīng)將其用于特定工業(yè)應(yīng)用。例如，印度的TPI Composites公司開發(fā)了黃麻增強(qiáng)的復(fù)合材料，用于制造風(fēng)力渦輪葉片。黃麻纖維與環(huán)氧樹脂的結(jié)合，在風(fēng)能行業(yè)中通過長絲纏繞工藝制造了低風(fēng)速環(huán)境下的葉片。這種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于黃麻纖維具有高強(qiáng)度、低成本和可再生性，從而減輕了葉片的重量并增強(qiáng)了其耐久性。

孟加拉國也在探索黃麻復(fù)合材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用，特別是在低承重的非結(jié)構(gòu)部件中。這些應(yīng)用通過纏繞工藝制造出輕量化的部件，并提升了材料的抗沖擊性能。

劍麻：

劍麻纖維因其優(yōu)良的抗拉伸和抗沖擊性能，被用于長絲纏繞制造壓力容器和管道系統(tǒng)。英國工程塑料和復(fù)合材料管道公司Pipex是該領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)之一，他們通過將劍麻纖維與玻璃纖維結(jié)合，采用長絲纏繞技術(shù)制造了輕量化和抗腐蝕的壓力容器。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工和油氣行業(yè)，用于運(yùn)輸液體和氣體。劍麻纖維具有較高的抗拉伸強(qiáng)度和耐熱性能，使其在這些高要求的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

此外，巴西的Sisaltec公司也采用了類似的長絲纏繞技術(shù)，將劍麻纖維與合成纖維結(jié)合，制造輕型管道和壓力容器。劍麻增強(qiáng)復(fù)合材料在管道應(yīng)用中表現(xiàn)出了極佳的機(jī)械性能，并通過減少碳纖維的使用，降低了成本和碳排放。

亞麻：

亞麻纖維在長絲纏繞工藝中的應(yīng)用相對成熟，特別是在汽車工業(yè)中。專注于開發(fā)和生產(chǎn)天然纖維高性能復(fù)合材料的瑞士公司Bcomp開發(fā)了用于長絲纏繞的亞麻增強(qiáng)復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于高性能汽車的結(jié)構(gòu)件制造。例如，Bcomp為全電動SUV Volvo EX30設(shè)計的內(nèi)飾件采用了其專有的ampliTex亞麻纖維技術(shù)。這種材料通過長絲纏繞工藝制造出既輕便又堅固的復(fù)合材料，大幅提高了汽車的可持續(xù)性和環(huán)保性。亞麻纖維的優(yōu)點(diǎn)在于其高強(qiáng)度、低密度和自然美感，使其成為汽車內(nèi)飾中可替代玻璃纖維的理想材料。

此外，亞麻纖維還被應(yīng)用于戶外車輛的制造中，例如德國Greenlander展示的Sherpa探險車，其車身使用了由亞麻纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。該車體材料通過長絲纏繞技術(shù)制造，結(jié)合了生物基樹脂和可回收材料，使車輛具有更好的輕量化性能，同時減少了環(huán)境足跡。

6、總結(jié)：

黃麻、劍麻和亞麻纖維通過長絲纏繞工藝，已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電、汽車零部件和壓力容器等行業(yè)中獲得了實際應(yīng)用。雖然黃麻的應(yīng)用仍在擴(kuò)展中，但在環(huán)保要求和可持續(xù)性推動下，這些天然纖維正逐步替代部分傳統(tǒng)的合成纖維，在纏繞工藝應(yīng)用領(lǐng)域成為一股制造新興勢力，具有廣泛的工業(yè)前景。

摘自

1、Diana P. Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro, 2019, ‘‘Surface modification ofnatural fibers in polymer composite”, Green Composites for AutomotiveApplications, Chapter 1, pp 3-41,https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102177-4.00001-X，https://doi.org/10.1016/B978?0?08?102177?4.00001?X。

2、K.G. Satyanarayana et al., Structure and properties of some vegetable fibers, J.Mater. Sci. 21 (1986) 57.

3、Ganesh D. Shrigandhi ?, Basavaraj S. Kothavale, Biodegradable composites for filament winding process, Materials Today: Proceedings