摘要：化石燃料的日益枯竭以及對環(huán)保材料需求的增長，推動了天然纖維復(fù)合材料（NFRPCs）的發(fā)展。這類復(fù)合材料具備環(huán)境友好性、良好的熱學(xué)特性、輕質(zhì)、低生產(chǎn)成本和可再生性等優(yōu)異的機械性能，使其優(yōu)于玻璃纖維和碳纖維制成的合成復(fù)合材料。天然纖維復(fù)合材料能夠減少溫室氣體排放，因此在汽車、建筑、國防和基礎(chǔ)設(shè)施等行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。

關(guān)鍵詞：天然纖維；復(fù)合材料；聚合物基體；增強材料；聚合物復(fù)合材料

近年來，全球社會迫切需要應(yīng)對地球面臨的環(huán)境威脅，包括各類污染和自然資源枯竭。這些挑戰(zhàn)推動了可持續(xù)發(fā)展運動的興起，其動力源于旨在提高資源效率的環(huán)境法規(guī)和政策。盡管關(guān)于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑和方法仍存在爭議，但當前對可持續(xù)發(fā)展的重視已得到國際社會的廣泛認可。

可持續(xù)發(fā)展的理念強調(diào)在決策中兼顧當代與后代的需求。在這一背景下，生態(tài)材料或生物基材料成為關(guān)鍵組成部分，旨在減少人類活動對環(huán)境的影響。研究人員正積極開發(fā)環(huán)保材料，以推動可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)材料涵蓋傳統(tǒng)和創(chuàng)新類型，其開發(fā)與應(yīng)用對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和降低環(huán)境足跡至關(guān)重要。復(fù)合材料因其優(yōu)異的機械性能和輕質(zhì)特性，正持續(xù)受到關(guān)注，成為高效且經(jīng)濟實用的材料。它們廣泛應(yīng)用于汽車、航空、船舶、體育用品、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)。

一、天然纖維概述

天然纖維增強材料主要來源于植物纖維（草纖維、果實/種子纖維、韌皮纖維、木纖維、葉纖維和莖稈纖維）、動物纖維和礦物纖維。按用途可分為主要纖維（以纖維含量為主要產(chǎn)物的纖維）和次要植物纖維（作為副產(chǎn)品生產(chǎn)）。常見的天然纖維包括韌皮纖維（如黃麻、紅麻、大麻、苧麻和亞麻）、草和蘆葦纖維（如稻、玉米和小麥）、葉纖維（劍麻、蕉麻、菠蘿）、種子纖維（椰子、木棉和棉花）以及果殼纖維（黃麻、紅麻和大麻）。韌皮纖維通過浸漬工藝從植物莖稈外層提取，因其高強度和低密度可實現(xiàn)減重，在汽車應(yīng)用中極具價值。葉纖維通過機械擠壓或刮削從植物葉片中獲取，其粗糙度和高強度賦予其優(yōu)于韌皮纖維的沖擊性能。果實纖維來自果殼或豆莢，草纖維則來自竹子或象草等高大草本植物。這些纖維常與塑料結(jié)合制成纖維-塑料復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)。

在纖維基復(fù)合材料的制造中，天然纖維的提取是關(guān)鍵步驟。常用方法包括剝皮、浸漬、吹塑和酶提取。剝皮法適用于亞麻、大麻和黃麻等莖稈纖維植物，通過剝離樹皮暴露內(nèi)部纖維，可根據(jù)需求采用化學(xué)或物理方式處理。浸漬法則利用微生物分解纖維的果膠基質(zhì)，部分工藝需水或化學(xué)試劑輔助。吹塑法用于提取竹纖維，通過加熱和擠出形成連續(xù)長絲，可獲得高機械強度的優(yōu)質(zhì)纖維。酶提取法通過特定酶降解植物非纖維成分，適用于劍麻和紅麻等纖維，雜質(zhì)含量低。提取技術(shù)的選擇需綜合考慮纖維類型、用途和工藝限制。常用天然纖維包括劍麻、木材、紅麻、亞麻、棉花和黃麻纖維。

二、天然纖維-聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 汽車工業(yè)

汽車行業(yè)對輕量化部件日益增長的需求促使人們探索生物基復(fù)合材料作為潛在替代品。為了符合嚴格的二氧化碳排放法規(guī)和車輛部件可回收性要求，交通運輸行業(yè)必須顯著減輕車輛重量。輕質(zhì)耐用的材料可以成為這些挑戰(zhàn)的解決方案。

NFRPCs在汽車工業(yè)中有若干實際應(yīng)用，展示了其多功能性。車輛地板和門板、座椅靠背、行李艙、門內(nèi)飾和頂飾等都是生物復(fù)合材料替代的主要候選部件。例如，福特蒙迪歐在其門板設(shè)計中采用了亞麻地板和聚氨酯復(fù)合材料，并用劍麻墊和亞麻布增強；奧迪在其門內(nèi)飾板中采用了聚丙烯/紅麻復(fù)合材料；歐寶威達車型使用紅麻-亞麻混合物制造包裝托盤、行李箱襯墊和座椅靠背；同樣，大眾在其帕薩特、高爾夫、A4和寶來等車型中采用NFRPCs制造行李箱蓋板和門板等內(nèi)部部件。

據(jù)相關(guān)研究顯示，采用亞麻和劍麻纖維制作的門襯板和面板，以及由木纖維制成的座椅靠背，可以在寶馬S3、5和7系列車型中找到。一個特別重要的應(yīng)用案例是寶馬公司每年在其S3、5和7系列車型中大量使用超過1萬噸的生物復(fù)合材料。由亞麻和劍麻纖維、隔音棉和緩沖羊毛制成的部件被用于門襯、座椅靠背和其他內(nèi)部零件，展示了這些材料的可擴展性。此外，梅賽德斯-奔馳2017款E級創(chuàng)新車型采用了含70%天然纖維的頂框，與傳統(tǒng)材料相比實現(xiàn)了50%的減重。

案例研究闡明了NFRPCs在特定應(yīng)用中的優(yōu)異機械性能。例如，一項比較黃麻/玻璃纖維混雜復(fù)合材料與合成玻璃纖維復(fù)合材料在汽車保險杠中應(yīng)用的研究表明，含30%黃麻和10%玻璃纖維的混雜復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料具有更好的沖擊強度和硬度。同樣，紅麻/玻璃纖維混雜復(fù)合材料已被優(yōu)化用于乘用車保險杠應(yīng)用，通過熱塑性增韌改性劑等改進增強了其抗沖擊性。

2.2 建筑工業(yè)

在汽車行業(yè)之外，NFRPCs還應(yīng)用于建筑、房屋等領(lǐng)域，用于制造天花板、地板、辦公用品、框架和地板層壓板等。NFRPCs在土木工程中最適用于環(huán)境敏感的非承重室內(nèi)構(gòu)件。

若干實際應(yīng)用證明了該材料的適應(yīng)性。例如，由亞麻和大麻復(fù)合材料制成的生物基隔熱板已用于墻體保溫和天花板面板，提供更好的隔熱性能并降低能耗。其他需要關(guān)鍵承載能力的應(yīng)用也有報道，NFRPCs可作為玻璃的合適替代品。根據(jù)相關(guān)研究，NFRPCs最近已成為非結(jié)構(gòu)建筑項目的焦點，包括地板層壓、墻體保溫以及門窗框架。由NFRPCs制成的隔熱結(jié)構(gòu)板在機械加工性能方面優(yōu)于木材層壓板。

同樣，用蕉麻和黃麻纖維增強的聚合物復(fù)合材料已應(yīng)用于墻板和隔斷，在住宅和商業(yè)建筑中表現(xiàn)出優(yōu)異的機械和熱性能。最近的研究強調(diào)了天然纖維在增強水泥方面的潛力。例如，大麻纖維增強混凝土表現(xiàn)出更高的抗拉強度、耐久性和更少的開裂，使其適用于預(yù)制板、非結(jié)構(gòu)板和輕質(zhì)建筑構(gòu)件。

在洪水多發(fā)地區(qū)，用椰殼和劍麻纖維增強的復(fù)合材料已成功用于防水模塊化房屋部件。此外，還開發(fā)了用于受災(zāi)地區(qū)臨時住所的生物基層壓材料，兼具便攜性和耐久性。這些進展強調(diào)了NFRPCs作為現(xiàn)代建筑變革性材料的潛力，在可持續(xù)性和功能性之間架起橋梁。

2.3 航空航天工業(yè)

航空航天工業(yè)越來越多地采用天然纖維-聚合物復(fù)合材料，以滿足對輕質(zhì)、高性能和環(huán)保材料的嚴格要求。它們的高強度重量比和增強的彈性性能使其特別適用于非結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如內(nèi)飾板、機艙設(shè)施和次要部件。這些優(yōu)勢使其適用于各種航空航天應(yīng)用，如飛機內(nèi)飾板，類似于其在汽車和船舶領(lǐng)域的應(yīng)用。

一個突出的應(yīng)用是在飛機雷達罩中使用混雜復(fù)合材料，其中低介電常數(shù)和高射頻透明度至關(guān)重要。目前，玻璃纖維復(fù)合材料因其射頻透明度而常用于飛機雷達罩，但它們還必須具備輕質(zhì)、堅韌和低介電常數(shù)的特性。紅麻/玻璃纖維混雜復(fù)合材料已表現(xiàn)出與傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料相當?shù)男阅埽蛊涑蔀榭尚械奶娲贰Ｍ瑯樱S麻和亞麻纖維復(fù)合材料已用于貨艙和座椅靠背的內(nèi)飾板，減輕飛機重量并提高燃油效率。

進一步的創(chuàng)新包括在托盤桌和座椅靠背支撐中使用竹纖維復(fù)合材料，其抗沖擊性和輕質(zhì)特性符合嚴格的安全標準。在貨運領(lǐng)域，用天然纖維增強的生物復(fù)合材料已被用于制造輕質(zhì)集裝箱，在不影響耐久性的情況下實現(xiàn)顯著的減重。一項關(guān)于無人機機架的案例研究表明，紅麻和碳纖維的混雜復(fù)合材料提供了足夠的剛性并減輕了重量，延長了飛行續(xù)航時間。

此外，可生物降解復(fù)合材料在一次性航空航天組件中的潛力正在被積極研究，如航天器中的包裝和不可回收部件。這些應(yīng)用不僅提高了航空航天制造的可持續(xù)性，還解決了廢棄物管理挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷進步，NFRPCs將通過實現(xiàn)更環(huán)保、更輕量和更高效的設(shè)計，徹底改變航空航天工業(yè)。

2.4 國防工業(yè)

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