農作物秸稈纖維增強復合材料研究現狀

苗鵬飛　盧國鋒

摘 要：隨著人們對環境問題的重視，利用農作物秸稈纖維作為增強體來制備復合材料越來越引起人們的重視。本文敘述了秸稈纖維、纖維復合材料概念和分類，對包括木塑復合材料、秸稈纖維、樹脂基復合材料和秸稈纖維、水泥基復合材料在內的幾種典型的秸稈纖維增強復合材料的研究現狀做了詳述，并對秸稈纖維增強復合材料的應用發展前景進行了展望。

關鍵詞：農作物秸稈；秸稈纖維；復合材料

中圖分類號： TQ323.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-60-2

0 引言

我國是農業大國，農作物秸稈資源非常豐富，每年包括玉米、小麥、稻草、棉花秸稈等在內的農作物秸稈產量可達數億噸[1]。但這些豐富的秸稈資源卻未得到很好的利用，目前的利用率只有約10%左右，而這其中的大部分又都是通過制造有機肥、直接還田、作動物飼料和作燃料等這些不加任何處理的方式低效率利用，經技術處理后利用的僅占2.6%[2]。其余60%多的秸稈均被作為廢棄物直接焚燒掉，這不僅造成了自然資源的嚴重浪費，而且造成嚴重的空氣污染，惡化的人類生存環境，因此，秸稈的處理急需一種更為有效的利用方法和途徑。利用農作物秸稈來制備一些新型復合材料既可以有效利用農作物秸稈資源，又可減少環境污染，也是附加值非常高的一種秸稈處理方法，因此利用秸稈資源制備秸稈纖維復合材料已經成為秸稈處理研究的熱點之一。為此，本文就秸稈纖維增強復合材料的研究進行了綜述。

1 秸稈纖維

秸稈作為農作物的副產品，具體可分類為經濟作物秸稈（油菜稈、麻稈、蘆葦稈、棉花稈、豆類秸稈）和糧食作物秸稈（麥秸稈、谷類作物秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、高粱秸稈）[3]。秸稈纖維是將秸稈材料通過化學方法和物理機械處理的方法，得到穩定和細化后的纖維素纖維，秸稈纖維自身就是一種復合材料。一般來說，秸稈纖維的表面處理要采用兩種方法：物理方法與化學方法。物理方法包括表面原纖化處理以及放電處理。化學方法有堿化處理、酯化處理、接枝改性、浸漬處理、涂層處理等。

2 纖維增強復合材料

凡是由兩種或兩種以上性質差異的原材料， 通過某種工藝方法形成的多相材料（各相間存在有明顯的界面）都可稱為復合材料。復合材料兩個顯著的特點分別是：材料的可設計性，就是按不同的性能需求進行材料的設計與制造。另外一個就是材料與結構件的一致性 。纖維增強復合材具有高強、輕質、耐腐蝕、抗疲勞等特點。

復合材料的加工方法常用的有三種方法：①傳統的加工方法或改進后的傳統加工方法；②水力噴射加工；③激光加工。

3 典型秸稈纖維增強復合材料

3.1 秸稈/橡膠復合材料

秸稈/橡膠復合材料是將秸稈進行粉碎處理后，將其粉末填充于天然橡膠或丁腈橡膠基體里而制備的復合材料。相關的研究表明，將天然橡膠加入秸稈后門尼粘度會增大、流動性會下降，而且加工流動性也會變差，秸稈/天然橡膠復合材料的門尼粘度與秸稈用量成正比。而在機械性能方面，秸稈對天然橡膠（NR）一般只是起填充作用，對材料的機械性能影響不大；而對丁腈橡膠（NBR）而言，秸稈纖維的加入材料的強度和硬度提高，即具有一定的補強作用。用硅烷偶聯劑對秸稈纖維進行處理后，或對秸稈纖維進行堿化處理后都可以明顯提高秸稈纖維/橡膠復合材料的力學性能。在天然橡膠中加入秸稈纖維后，所得復合材料的耐熱老化性能相較于天然橡膠本身在一定程度上有所降低。

3.2 木塑復合材料

木塑復合材料（wood plastics composites，WPS）是一種綠色環保型復合材料。主要是用熱塑性聚合物（如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等）為基體，秸稈纖維或木粉為填料即增強體的復合材料。

木塑材料的研究最早開始于美國，至今已有幾十年的歷史，1997年加拿大Onyx公司首批生產線生產，現在國外目前大批生產主要集中在美國、加拿大、日本、俄羅斯、烏克蘭、保加利亞。國外的研究主要集中在對木粉復合材料的預處理、增韌和增強復合材料以及吸水性復合材料。在我國，木塑復合材料始于福建林學院于20世紀80年代中期開始的研究，相比較國外起步較晚。1999年形成較為完整的工藝生產線，安徽蒙城縣鋁塑型材有限公司與蒙城縣鋁塑研究所合作研究完成了國內第一家大規模的木塑復合材料生產線。目前，國內一些生產技術比較先進的木塑公司產品已經趕上甚至超過國外，前景十分光明。 木塑材料的應用主要在這幾個方面：建筑結構的部件、汽車內飾部件、室內外裝修材料等。

3.3 秸稈纖維/PBS復合材料

秸稈纖維/PBS復合材料是以聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為基體，麥秸稈纖維、稻草秸稈纖維以及竹纖維為增強體合成的復合材料。主要工藝方法：熔融共混法、熱壓成型法。

Yang-Zhao運用熱壓成型法制備了稻草秸稈纖維/PBS復合材料，其優點在與不僅提升了復合材料的綜合力學性能，復合材料的吸水性也大大降低了。張敏[8]對玉米秸稈采用水煮處理后與PBS共混制備出了玉米秸稈纖維/PBS復合材料，其力學性能大幅度的提高。

秸稈纖維/PBS復合材料目前的應用領域是非常廣泛的，包括：餐飲（如飯盒、一次性果盤等）、醫藥（藥瓶、藥品包裝袋、生物醫用高分子材料等）、農業（農用地膜、水果蔬菜套袋等）生活（化妝品瓶等）。

3.4 秸稈纖維/水泥基復合材料

秸稈纖維水泥基復合材料就是將農作物秸稈（如小麥秸稈，玉米秸稈、高粱秸稈等）摻入到水泥中共混得到的復合材料，其具有輕質、隔熱保溫、吸聲、節能環保的優點。

秸稈/水泥基復合材料具有很長的使用歷史。張琳等 通過對小麥秸稈纖維水泥基復合材料進行性能測試發現：對小麥秸稈做堿液處理后可降低小麥秸稈纖維中溶出物水泥化影響，增強水泥硬化程度，提高綜合力學性能。

秸稈/水泥基復合材料主要應用于建筑領域。

3.5 秸稈纖維增強脫硫石膏墻體材料

秸稈纖維增強脫硫石膏墻體材料是既經濟又環保的新型材料。以稻草秸稈玉米秸稈作等作為增強體得到的。吳其勝對其制備與性能進行了研究，他發現：在抗壓強度、抗折強度以及保溫性能方面較普通脫硫石膏墻體材料都有了很大的提升與改善。

4 秸稈纖維增強復合材料的應用

秸稈纖維增強復合材料以及其制品在以下一些方面的應用：

①建筑和土工材料：由于秸稈纖維增強復合材料具有比重小，隔熱、隔音性能好，在廣泛用作建筑工程材料。秸稈纖維水泥基由于具有較高的抗裂性能，因此可用作建筑承重墻的材料；秸稈纖維石膏復合材料可作為建筑墻體的墻面材料和頂部裝修材料；而木塑復合材料則在建筑業中應用更為廣泛，可用于室內外的多種建筑材料，如：室內地腳線、吊頂板材、門窗的框套等。另外，秸稈纖維增強復合材料還可用于圍護欄、門窗型材。還有正在研究并初步應用的，如：百葉窗、墻板等。孫成棟采用水泥作為膠結料，木質纖維用農作物秸稈替換，然后添加特種的復合添加劑，生產出一種秸稈纖維填充水泥復合板，已取得了不錯的成效。

②其他方面：隔音板、絕緣板、抗腐蝕板材。將秸稈纖維與廢舊輪胎顆粒復合制造出了建筑絕緣復板，經過測試性能，發現其具有良好的隔音性、絕緣性、強耐腐蝕等性能，能夠用來替換建筑行業所用的的絕緣材料；電池隔板、某些有特殊功能的填充原料與元件，例如保溫、密封、耐高溫、防紫外線等。

5 結語

增強復合材料已經成為復合材料領域新的研究熱點與重點。但仍舊存在有一些問題需要繼續研究克服的。首先，作為增強體的秸稈纖維的制備及其表面處理技術已無法滿足需求，要研制出綜合性能穩定可靠的秸稈纖維增強體稈纖維復合材料那就必須更新工藝，更好的處理秸稈纖維。再者，成型工藝與生產設備也是需要不斷更新的。決定復合材料的性能、成本的關鍵技術就是成型工藝與生產設備。最后，就是怎樣能夠更好地制備出可完全生物降解秸稈纖維復合材料。只有這樣才能夠使其成為真正意義上的“綠色材料”。秸稈纖維增強復合材料具有的可回收和可降解等優良性能，將會滿足未來社會的各個領域，尤其是在環保領域的發展潛力。新工藝與新品種的出現姜維秸稈纖維增強復合材料的發展帶來更大的發展前景。

參 考 文 獻

[1] 李國忠，高子棟.改性秸稈纖維增強石膏基復合材料性能[J].建筑材料學報，2011，14（3）：413-417.

[2] 劉洪鳳，俞鎮慌.秸稈纖維性能[J].東華大學學報（自然科學版），2002，28（2）：123-128.

[3] 曹穩根，高貴珍，方雪梅，等.我國農作物秸稈資源及其利用現狀[J].宿州學院學報；2007（6）：110-112.