天然纖維復合材料在建筑工程的應用力學性能及其前景展望

徐博聞

摘要：隨著社會對于環保要求的日益提高，人工合成纖維的生產過程對環境造成的影響逐漸凸顯出來，以天然纖維增強聚合物為代表的天然纖維復合材料正在吸引越來越多的關注。本文將結合全球最新研究進展，介紹天然纖維復合材料在建筑工程領域的應用情況并討論其力學性能與工作環境之間的互相影響。

Interaction between Mechanical Properties of Natural Fiber Composites in Building Engineering with the Environment

1.引言

近年來具有輕質、高強度、耐腐蝕特性的纖維增強聚合物（FRP）在建筑工程中得到了越來越廣泛的應用。然而，在環保要求日益提高的今天，其應用的碳纖維、玻璃纖維等人工合成纖維被由于生產過程耗能巨大且無法循環利用已成為威脅環境的一個因素[1]。科學家發現由天然植物纖維與聚合物基質組合而成的天然纖維復合材料（NFRP）有可能作為新型環保材料應用于工程中。目前已有研究表明紅麻、劍麻、香蕉、黃麻、佛羅里達麻等天然纖維因其綠色環保和來源廣泛等優勢有望成為汽車工業和建筑工業等領域的增強纖維[2]。

植物纖維由于強度和纖維長度方面的優勢被認為建筑工程中具有最大的使用潛力。植物纖維密度低，可降解且無毒，可重復利用且造型豐富的特性使其能夠用作聚合物復合材料中的填料或增強物質[3]。雖然天然纖維具有上述優勢，但其來源于植物的這一特點也造成了熱穩定性低、真菌敏感性、親水性可能導致尺寸變化等缺陷，尤其是其親水性可造成由于環境濕度變化的力學性能改變[4]。因此目前的研究主要關注如何通過預處理和處理方法改善天然纖維的性能。

天然纖維復合材料應用于受力構件仍處于起步階段，目前關注的性能主要包括靜態和動態性能，長期蠕變性能，吸水或紫外線輻射引起的力學性能變化以及結構工程工作狀態的其他基本參數。

本文旨在對天然纖維在建筑工程領域應用過程中的力學性能進行綜合評價并討論其與環境的相互作用，并對未來的研究和應用方向進行展望。

2.纖維材料的選擇與處理

植物中提取的天然纖維按其來源可分為韌皮纖維、莖葉纖維和種子纖維。韌皮纖維主要采自麻類植物如亞麻，大麻等，韌皮纖維較其他纖維更長因而更適宜在長尺寸、拉應力構件中應用。葉片纖維是采自劍麻、香蕉等木本植物，其纖維比韌皮纖維更粗壯，因此在受壓時能發揮更好的性能。種子纖維是棉花、椰殼、木棉等植物中。種子纖維由于更細更短所以只能滿足要求較低的應用，如室內裝飾填料。由上述對比可以發現，最具潛力應用于建筑工程中的是韌皮纖維。由于果膠和半纖維素在植物中伴隨著纖維素共同存在，所以在使用前必須進行預處理以去除可能造成性能不穩定的物質。

2.1 預處理過程

預處理是將剛收獲的植物變成適用于復合材料中的纖維過程中必不可少的步驟。以亞麻為例，第一步是漚麻以去除果膠并且破壞纖維和其他細胞的通路。之后烘干還原后水解、熱解以去除其中的半纖維素和木質素。預處理過程對纖維力學性能影響巨大。一旦纖維上存在失效點將會引起纖維的抗拉強度急劇下降。只有通過預處理重組內部結構并經檢驗達到基本強度標準后，才可以通過進一步的處理以進一步增強其穩定性和力學性能。

2.2 提高性能的處理方法

以往的研究認為天然纖維復合材料是一種環境友好且低成本的材料，必須通過特殊處理才能滿足建筑工程的需求。為了選擇能夠抵抗惡劣環境的基質，保護纖維表面免受機械磨損并將負荷轉移到纖維上，可選用熱塑性和熱固性聚合物保護天然纖維并提高抗壓能力[3]。此外，一些天然纖維獨有的特性也會對復合材料的力學性能造成影響，如纖維含量、纖維取向、纖維體積分數、纖維長度等[4]。目前已證明經過處理的天然纖維的機械性能課提高至其原始值的三倍。處理手段按類型分包括物理處理如電暈、等離子體、紫外線（UV），熱處理如電子輻射和纖維打漿和化學處理如化學偶聯劑的使用[1]。

3.基質材料的選擇

目前天然纖維復合材料的可用基質材料有熱固性材料如環氧樹脂、聚酯和乙烯基酯等，熱塑性材料如聚乙烯、聚苯乙烯組成，尼龍等，以及天然可降解基質如多糖、淀粉、蛋白質等。其中熱塑性材料消耗石油量，天然可降解基質的穩定性和使用壽命不穩定，因此，熱固性聚合物更常用作建筑材料中的基質[3]。

4.施工方法

在施工原理上，天然纖維復合材料可以與玻璃纖維相同的施工方法。但也有例外情況，例如使用連續纖維時采用的拉擠法、纖維切碎法等。與基質的結合技術主要采用真空注射法、塑模法、真空熱壓法和夾層法。需要注意的一點是熱塑性基質對高溫敏感，因此在施工時要注意避免采用高溫方法。

5.天然纖維復合材料在國內外的應用現狀

目前在許多國家使用纖維復合材料作為建筑材料已逐漸成為一種趨勢。自1920年，美國制造商利用甘蔗加工殘渣制造了第一塊甘蔗渣合成板后，竹子、木材纖維、小麥和黑麥草秸稈纖維以及向日葵的外殼和根莖紛紛被制成建筑用板材[2]。農用纖維中的谷物秸稈由于二氧化硅含量高而具有天然的防火性能。此外，農用秸稈低密度使它們具有彈性，所以建造成房屋后具有較好的抗震性能。近年來天然纖維復合材料在建筑行業逐漸開始廣泛推廣，如用于門窗框架，墻體保溫和地板層壓。2016年，第一個全天然纖維橋梁在荷蘭得到實現，證明了生物復合材料在結構工程中的應用潛力。

6.天然纖維復合材料的研究前景展望

人工合成纖維需要大型生產設別，相比之下，天然纖維可以由人力和傳統技術來進行生產。在那些自然纖維生長迅速、成本低廉的東南亞國家，可以充分利用本地材料，避免以外幣高價進口玻璃纖維等合成材料。未來這一方面的研究，應在著重關注通過優化設計方法最大限度地利用天然纖維的性能。構建系統設計和檢測理論以滿足建筑工程的要求。其中有以下具體問題需要關注：

1.天然纖維的靜力和動力性能，

2.基質力學的研究，如抗壓能力和應力比。

3.纖維與基體之間的界面優化：提高強度，應力模量，變形協調能力等關鍵參數。

4.建立基于生物復合材料的優化設計方法，充分利用材料強度。

5.創建天然纖維復合材料在結構工程中應用的材料評估標準。

通過對以上幾方面研究的完善，生物纖維復合材料這一環保材料的巨大潛力可以得到挖掘，并且其相關標準可以使該材料在建筑工程廣泛推廣以解決目前建筑行業在環保方面的壓力。

參考文獻

[1]P. K. Mallick，Fiber-Reinforced Composites：Materials，Manufacturing，and Design，CRC Press，2007

[2]尹維，田煜，陶大帥，劉哲瑜，韓志武，張俊秋.天然樹木和竹子纖維材料的力學性能及仿生研究進展[J].科學通報，2015，60（31）：2949-2962.

[3]]趙麗莎. 生物纖維復合材料力學性能和復合材料生命周期評價的研究[D].江西農業大學，2011.

[4]M. Kabir，H. Wang，K. Lau，F. Cardona，Chemical treatments on plant-based natural fibre reinforced polymer composites：an overview，Compos. B Eng. 43（2012）2883–2892.