世界新型天然復(fù)合材料研發(fā)一瞥

文/劉祝言 王荔妍

復(fù)合材料視角耳目一新

洋麻是非洲、亞洲熱帶和亞熱帶常見的野生植物。幾十年來，它作為復(fù)合纖維逐漸成為無紡業(yè)材料的來源之一。從商用價(jià)值上看，這種植物與任何其他纖維植物相比，對氣候和土壤的適應(yīng)性都更廣。這就是為什么近年來，以植物纖維基的復(fù)合材料研發(fā)引起業(yè)界越來越大興趣的緣故。

復(fù)合材料工業(yè)是高速增長的行業(yè)，根據(jù)兩大市場情報(bào)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，到2022年，全球復(fù)合材料工業(yè)將逾1000億美元?？偛课挥诎屠璧慕芸藦?fù)合材料公司（Jec Composites）統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)表明，在2015—2016年，復(fù)合材料行業(yè)從750億增長到820億美元，2017—2018年，它繼續(xù)保持猛增的勢頭，預(yù)計(jì)到2021年該行業(yè)市值將達(dá)1030億美元。另據(jù)一家西方行業(yè)媒體（MarketsAndMarket?）咨詢公司預(yù)計(jì)，該行業(yè)的復(fù)合年增長率約為8%，到2022年，市值將達(dá)到1150億美元。另一有趣的事實(shí)是，該行業(yè)的增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐美發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的GDP。這一正增長數(shù)字為業(yè)界持續(xù)投資提供了足夠的信心。要了解其因，我們最好先探究最新復(fù)合材料的知識(shí)。

復(fù)合材料要達(dá)到特定應(yīng)用所需的性能，它必須按多種組分形成?；祀s結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是由于使用不同的材料，如不同的纖維或不同材料制成的不同結(jié)構(gòu)形式。例如，軟性復(fù)合材料可由棉制成的機(jī)織或制成無紡，可以獲得更大的吸音效果。如今，復(fù)合材料已分為柔性（軟）和剛性（硬）復(fù)合材料。涉及塑料和金屬基質(zhì)的硬復(fù)合材料很常見，在汽車、航空航天和其他重型工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。軟復(fù)合材料雖然結(jié)構(gòu)柔韌，但其強(qiáng)度很大，在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。除了這兩種分類之外，還有一種復(fù)合材料，包括軟硬成分混合的混雜復(fù)合材料。其結(jié)構(gòu)比剛性結(jié)構(gòu)更靈活，纖維基復(fù)合材料就是一例。纖維材料在本質(zhì)上是黏性的，具有彈性，這一特性有利于開發(fā)與人互動(dòng)的復(fù)合材料，如防彈衣。

軟性復(fù)合材料大受青睞

目前，纖維基軟復(fù)合材料的應(yīng)用例證是無紡擦拭布，這種產(chǎn)品是一種在打入消費(fèi)市場的同時(shí)獲得成本和特性平衡的經(jīng)典模式。由于這些柔軟的復(fù)合材料以一次性和半耐用市場領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)，消費(fèi)量增加較快，因此其市場價(jià)值也隨之上升。一家名為史密斯?fàn)枴てだ⊿mithers Pira）的復(fù)合材料咨詢企業(yè)最近發(fā)布的報(bào)告稱，目前的無紡濕巾全球市場價(jià)值為166億美元，到2023年預(yù)計(jì)將達(dá)218億美元。

人們對環(huán)境污染的認(rèn)識(shí)日益提高，甚至在印度這樣人口稠密的國家，也正在從使用合成材料和塑料材料轉(zhuǎn)向使用天然纖維變性材料。2018年，印度政府就推出到2022年印度將全面禁止使用一次性塑料的計(jì)劃。例如，印度擁有較高工業(yè)化的地區(qū)，泰米爾納德邦和馬哈拉施特拉邦正在實(shí)施減少塑料污染的政策，這給紡織業(yè)和其他行業(yè)帶來了開發(fā)可生物降解產(chǎn)品的機(jī)遇。印度和世界其他地區(qū)最近的重大舉措是，為復(fù)合材料行業(yè)鳴鑼開道，提供大量機(jī)會(huì)，向環(huán)境友好型研發(fā)投入巨資。

美國與印度政府都已相繼在復(fù)合材料研究上投入大量資金。美國在田納西大學(xué)諾克斯維爾分校創(chuàng)建了高級復(fù)合材料研究所。印度政府也在其發(fā)展包括復(fù)合材料在內(nèi)的技術(shù)紡織領(lǐng)域的計(jì)劃中，投資創(chuàng)建了兩家復(fù)合材料研發(fā)中心，旨在完成相關(guān)研究，其中哥印拜陀研究所專注于復(fù)合材料工業(yè)的應(yīng)用；伊恰爾卡蘭吉研究所則專注于無紡品研究。

10多年前，德國不來梅大學(xué)、美國農(nóng)業(yè)部（USDA）、新奧爾良農(nóng)業(yè)研究局（ARS）和田納西大學(xué)（University of Tennessee）相繼創(chuàng)建合作關(guān)系。他們著眼于利用棉花開發(fā)車用纖維基復(fù)合材料零部件。其首要目標(biāo)是減少汽車中塑料零件的使用，并開發(fā)出高質(zhì)量的車門板、車頂襯里部件和其他天然材料零件。他們先后成功研發(fā)出隔音、高蓬松的材料。

美國堪薩斯州立大學(xué)吉塔·拉馬斯瓦米教授開創(chuàng)了利用洋麻等天然纖維替代工業(yè)紡織品的研究。阿肯色州立大學(xué)也進(jìn)行了類似的研究，該大學(xué)研究了洋麻和棉花混合成軟復(fù)合材料的應(yīng)用。美國農(nóng)業(yè)部在奧本大學(xué)資助的一項(xiàng)目研究了利用雞毛開發(fā)復(fù)合材料的各種應(yīng)用。

新型復(fù)合材料標(biāo)新立異

在材料科學(xué)中，單個(gè)材料往往有其局限性，而軟硬并濟(jì)、剛?cè)峒鎮(zhèn)涞牟牧嫌兄鴱V泛的應(yīng)用范圍，這引發(fā)科學(xué)家從建筑、運(yùn)動(dòng)器材到防護(hù)服裝開展更多的研究。這是因?yàn)閺?fù)合材料將兩種或兩種以上的材料結(jié)合在一起，提供了新的特性。旨在提高性能，使之成為具有綜合功能的理想形式。下列最新應(yīng)用讓人大開眼界。

1.通過仿生增強(qiáng)性能

美國馬薩諸塞州立大學(xué)和華盛頓大學(xué)圣路易斯的研究人員利用鮑魚殼的生物原理，聯(lián)合研發(fā)出一種能夠承受極端機(jī)械力的仿生復(fù)合材料，英文稱之為“nacremimetic”。不僅如此，這種材料還具有延展性。這種延展性復(fù)合材料可用于3D打印，飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)，也可用于LED供電電路的預(yù)埋銅線，還能用于鎳鉻合金前緣鑲嵌材料。

研究人員將絲素蛋白和氧化石墨烯薄片結(jié)合在一起，制成了一種具有獨(dú)特多級結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料。他們在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，石墨烯氧化物薄片從無相互作用的孤立片演變?yōu)椴糠种丿B的延展片。研究結(jié)果表明，納米組分的形貌及其相互作用對該類納米仿生復(fù)合材料的可擴(kuò)展性至關(guān)重要。在這些新型仿生復(fù)合材料的研發(fā)中，測試是至關(guān)重要的，它常常提醒人們，材料科學(xué)面臨著相當(dāng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

納米層狀復(fù)合材料（NLC）結(jié)構(gòu)是目前研究的一種制備模擬仿生復(fù)合材料的工藝。中國東北大學(xué)和中國科學(xué)院（沈陽）研究人員正在對NLC結(jié)構(gòu)進(jìn)行惰性測試。為克服復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)疲勞問題，他們在逐層組裝和化學(xué)鍍液沉積試驗(yàn)過程中取得成果。測試包括彈性模量、硬度、斷裂韌性、應(yīng)變幅值以及疲勞極限。

2. 鋪纖技術(shù)的創(chuàng)新

由于專業(yè)高性能纖維的成本不斷上升，高強(qiáng)度、低重量的復(fù)合材料需求越來越大，纖維鋪設(shè)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展已迫在眉睫。美國密歇根州一家稱為雷司迪奇的公司（LayStitch?）研發(fā)出許多具有特殊功能的機(jī)器，專為碳纖維復(fù)合材料鋪設(shè)制造纖維束或粗紗，然后將纖維包縫到基材上。基材通常是無紡布，可在加工過程中拆除，也廣泛應(yīng)用于從假肢到汽車零部件的系列行業(yè)中。而德國科技開發(fā)公司（Technology GmbH）則致力于自動(dòng)化定制纖維鋪設(shè)，稱為TFP，他們因此創(chuàng)新研發(fā)出TFP自動(dòng)化定制纖維鋪設(shè)工藝。而該系統(tǒng)足能處理厚度范圍為3K～50K的碳纖維，以及玻璃纖維、芳綸、鋼鐵、玄武巖和陶瓷。

美國愛達(dá)荷州延展性復(fù)合材料公司研發(fā)出一種將材料與3D打印相結(jié)合的技術(shù)，并獲得延展性纖維3D打印(CF3D)的專利。隨著纖維鋪設(shè)所需，快速固化樹脂的應(yīng)用替代了模具。這為企業(yè)節(jié)省了成本和空間，并給創(chuàng)新留出位置，這一新技術(shù)將淘汰傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造工藝。不同的高性能紗線，如碳纖維和玻璃纖維等都能被利用。在鋪設(shè)纖維的過程中還可引入額外的功能，包括光纖傳感、銅和鎳鉻合金線。這可有效地使其成為一種智能復(fù)合材料，能夠感知環(huán)境并收集數(shù)據(jù)。例如，為LED燈或加熱元件供電。成品和復(fù)合材料生產(chǎn)相結(jié)合，可減少步驟，提高生產(chǎn)效率和環(huán)境效率。

軍事與控污領(lǐng)域

復(fù)合材料在國防和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占有重要地位。軍事、污染控制涉及軟、硬材料。諸多復(fù)合材料研發(fā)中使用了織物、針織物和無紡結(jié)構(gòu)材料。在許多應(yīng)用中，無紡的多孔結(jié)構(gòu)非常方便，既需要絕緣，也需要吸收特性。此外，短纖無紡的制備工藝，如熱鍵合、針刺和水性作用等可作為開發(fā)柔性復(fù)合材料相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)。

無紡的梳理工藝已有效地應(yīng)用于開發(fā)軟質(zhì)復(fù)合材料，在國防和污染控制方面都有應(yīng)用。一種產(chǎn)品利用針刺工藝開發(fā)出一種強(qiáng)吸附力、層狀的柔性復(fù)合材料，可快速吸走硫和農(nóng)藥等揮發(fā)性有機(jī)化合物。而柔軟的濕巾可用于清潔戰(zhàn)斗機(jī)、軍事裝備和人體皮膚的復(fù)雜部位，以防有毒物質(zhì)泄漏和滲入。該技術(shù)采用了生產(chǎn)效率高、成本效益高的無紡布工藝（與織造相比）。這種成本和技術(shù)平衡的模式導(dǎo)致了迅速的商業(yè)化。美國一家科技公司已將該產(chǎn)品推向市場，目前該產(chǎn)品正被政府機(jī)構(gòu)使用。

雖然軟性復(fù)合材料使用不同的纖維來開發(fā)層狀結(jié)構(gòu)材料，但同樣的工藝也用于開發(fā)涉及機(jī)織和混合無紡結(jié)構(gòu)。美國紡織科技公司（Tex Tech Industries）利用針刺技術(shù)開發(fā)出柔性防彈板。無紡布層相互連接緊密，給防彈層提供了強(qiáng)化型保護(hù)。最近，印度金奈公司（Wellgro Tech）利用混合概念研發(fā)出可生物降解的復(fù)合材料，它可將油和水分離，以幫助清理海洋污染和漏油。

纖維基軟復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)和過濾領(lǐng)域已大行其道。幾十年前，美國唐納森公司率先使用納米纖維復(fù)合材料開發(fā)高效過濾器。納米纖維由于表面積較大，可以吸附細(xì)小顆粒，而負(fù)面影響已實(shí)現(xiàn)了最小化。如今，納米纖維生產(chǎn)技術(shù)已有改進(jìn)，先進(jìn)的納米纖維網(wǎng)就是一例，它具有高強(qiáng)度和耐用性。

美國康涅狄格州立大學(xué)研究人員開發(fā)出環(huán)境友好型絲綢復(fù)合材料，用作骨折的支撐材料。一研究小組利用絲素蛋白研發(fā)出既結(jié)實(shí)又柔韌的復(fù)合材料。除利用絲素蛋白外，他們還融入了聚乳酸和羥基磷灰石等材料。

研發(fā)之路任重而道遠(yuǎn)

盡管復(fù)合材料的研發(fā)標(biāo)新立異層出不窮，但也面臨諸多挑戰(zhàn)，它既要更具有成本效益，重量輕，又要與金屬基具有同等或更好的性能。工業(yè)和消費(fèi)品用軟復(fù)合材料必須具備韌性和柔韌性等重要特性。雖然非合成基的天然纖維復(fù)合材料是有吸引力的替代品，應(yīng)用也越來越廣，但要在市場上取得成功，還需在成本和效益間取得平衡。