亞麻纖維材料的研究及其在土木工程中的應(yīng)用

馬偉男 盧立程 孟祥申 劉河森 左宏亮 李熠詩

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150036)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP,Fiber Reinforced Polymer/Plastic)是由纖維和聚合物基體兩部分經(jīng)一系列工藝制備而得的一種復(fù)合材料[1]。它具有工藝簡單、耐腐蝕性好、密度較小及強(qiáng)度較高等特點(diǎn)。目前，纖維復(fù)合材料在醫(yī)療、汽車和土木工程等領(lǐng)域都已廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)前大量應(yīng)用的纖維復(fù)合材所用的纖維多為人造纖維，人造纖維往往價(jià)格昂貴，不僅在生產(chǎn)過程中需要消耗大量能源，且不可再生，無法完全生物降解，因而不利于我國乃至全球的生態(tài)建設(shè)[2]。亞麻纖維是一種可完全生物降解的材料，在環(huán)境與資源問題日益嚴(yán)重的今天，以亞麻纖維作為增強(qiáng)體制備植物纖維復(fù)合材料成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。目前，關(guān)于亞麻纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用已有一部分研究，而拓展其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用必將是未來的研究方向。

1 亞麻纖維簡介

天然纖維包括苧麻纖維、亞麻纖維和椰殼纖維等植物纖維[3]。與碳纖維和玄武巖纖維等人造纖維相比，天然纖維具有能量消耗低、可就地取材、密度較小、拉伸性能較好和可降解再生等特點(diǎn)[4]。而且與人工纖維相比，植物纖維只需要大約20%～40%的生產(chǎn)能源。亞麻纖維與人工合成纖維的力學(xué)性能如表1所示。麻纖維作為天然纖維的一種，以纖維素為主要成分，已經(jīng)被人類廣泛應(yīng)用，并一直持續(xù)到今天。國外學(xué)者曾對植物纖維與玻璃纖維的強(qiáng)度、密度和成本進(jìn)行了綜合性的對比。在所有天然纖維中，亞麻纖維的比模量僅次于苧麻纖維，排在第二位，其抵抗100 kN拉力的成本較低。與其他纖維相比，同樣質(zhì)量的亞麻纖維的成本也較低。因此，亞麻纖維在麻纖維中力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性方面良好。亞麻纖維是在人工培植或者野生亞麻中進(jìn)行直接提取的纖維，取自植物地上莖的韌皮纖維層部分，經(jīng)過一系列工藝得到原麻纖維[5]，具有比強(qiáng)度高、生長周期短、來源廣泛、殺菌抗菌、可完全生物降解等特點(diǎn)[2]。

2 亞麻纖維復(fù)合材料的高性能化研究

亞麻纖維具有高比強(qiáng)度和彈性模量，但與人工合成纖維相比，亞麻纖維的抗拉強(qiáng)度較低，同時(shí)又有一定的親水性和極性，使其一方面吸濕性較強(qiáng)，會一定程度影響復(fù)合材料的耐久性。另一方面其親水性與極性與大多數(shù)具有疏水性的聚合物基體相反，因而二者難以相容，而這直接影響FRP的機(jī)械性能，需要通過表面處理使纖維獲得最佳的界面結(jié)構(gòu)[6]，故亞麻纖維的高性能化處理方法值得探究。

表1 亞麻纖維與合成纖維的力學(xué)性能

2.1 堿液處理和纖維素的酯化處理

麻纖維可通過堿液進(jìn)行處理以改變其力學(xué)性能。黃鑫鑫等[7]研究堿液對亞麻纖維的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一定的堿液濃度、浸堿時(shí)間和浴比可以提高亞麻纖維的相對斷裂強(qiáng)度，其中堿液濃度是影響亞麻纖維性能的最顯著因素。才紅等[8]研究了堿液對劍麻纖維加強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：堿處理后其力學(xué)性能得到改善，復(fù)合材的沖擊和彎曲強(qiáng)度比未處理的材料體系分別提高了34%和10%，并且耐磨性耐水性均有所改善。

天然纖維中，纖維素含有羥基，在強(qiáng)酸液里，能和有機(jī)酸等反應(yīng)為纖維素酯[6]，這種方法為纖維素的酯化反應(yīng)。

2.2 硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)處理

硅烷偶聯(lián)劑即有機(jī)硅化合物，用硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)處理是使纖維復(fù)合材高性能化最常用的方法之一。硅烷氧基對無機(jī)物具有反應(yīng)性，而有機(jī)官能基和有機(jī)物可以反應(yīng)或具有相容性。因此，硅烷偶聯(lián)劑可以介于無機(jī)和有機(jī)界面之間，形成一種特殊的化學(xué)“鍵橋”[9]。既能夠提高復(fù)合材料的機(jī)械性能又能改善兩種材料之間的界面粘結(jié)性。厲國清[10]在亞麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的研究中，用硅烷偶聯(lián)劑 KH550對亞麻纖維布進(jìn)行處理，改善了兩種材料的相容性，同時(shí)，增大了纖維復(fù)合材料的儲能與耗能模量。

2.3 接枝共聚

接枝共聚是天然植物改性的一種方式。通過該方法使兩種物理化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)接枝，生成具有新性能的物質(zhì)。通常先用輻射或加熱等方法使纖維產(chǎn)生活性接枝點(diǎn)，同時(shí)在一定離子的水溶液中進(jìn)行處理，使纖維素高分子與單體發(fā)生接枝反應(yīng)。最終反應(yīng)生成的共聚物同時(shí)具有植物纖維的良好性能和支鏈提供給生成物的耐磨性和疏水性等優(yōu)良的機(jī)械性能。關(guān)于麻纖維的接枝反應(yīng)研究始于20世紀(jì)60年代，其單體種類豐富，包括丙烯酯、丙烯腈等。韓志超[11]研究了聚烯烴/亞麻纖維復(fù)合材料，以MA為單體接枝亞麻纖維，并制得纖維復(fù)合材，其沖擊及拉伸強(qiáng)度都有一定的提高。

3 亞麻纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 纖維增強(qiáng)混凝土的研究

纖維增強(qiáng)混凝土(Textile Reinforced Concrete，TRC)，是以混凝土等為基材，用長或者短纖維作為增強(qiáng)材，均布地放入混凝土中，從而制成的一種新的增強(qiáng)建筑材。用可降解的天然纖維取代以往的碳纖維或玻璃纖維等人工纖維是未來建筑材料的趨勢。徐蕾[12]在亞麻纖維對混凝土收縮開裂的影響試驗(yàn)中，將短亞麻纖維摻入砂漿中，研究其塑性收縮性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保證亞麻纖維的摻量為0.3%的情況下，與普通樣品對比，裂縫的總面積降低了99.5%，最大裂縫寬度不到0.022，比以往減少了98.5%。

3.2 亞麻纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的研究

在土木工程領(lǐng)域，纖維復(fù)合材料外貼加固法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，但對于生物材料的研究很少，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展很不成熟。如果將人造纖維替換成天然纖維，并將天然纖維作為結(jié)構(gòu)材料大量應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中，將很大程度減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，有利于我國的生態(tài)建設(shè)，體現(xiàn)了綠色建筑的思想[13]。

王宏光[2]用多壁碳納米管改性環(huán)氧樹脂，并用納米二氧化鈦(TiO2)接枝亞麻纖維布，研究相應(yīng)的復(fù)合材料的力學(xué)性能和界面結(jié)構(gòu)；再用該亞麻纖維復(fù)合材料加強(qiáng)鋼筋混凝土梁，分析梁的抗剪性能。許頎[14]在亞麻纖維復(fù)合材加強(qiáng)混凝土梁的試驗(yàn)中，用亞麻纖維增強(qiáng)塑料加固鋼筋混凝土梁并和普通梁作對比，分析不同數(shù)量的纖維和預(yù)裂程度不同的情況下梁的抗彎性能，其加固試件如圖1所示。亞麻纖維力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能良好，同時(shí)可以降低工程建設(shè)對自然環(huán)境的破壞和不可回收資源的浪費(fèi)，對解決溫室效應(yīng)等環(huán)境問題、促進(jìn)我國綠色建筑的發(fā)展具有十分重要的意義[2]。

4 結(jié)語

亞麻自身的性能及其與基體的界面粘結(jié)性是影響其復(fù)合材機(jī)械性能的關(guān)鍵要素。土木工程領(lǐng)域?qū)w維材料的拉伸強(qiáng)度有較高的要求，因此開發(fā)新的膠黏劑和新的改性工藝是拓展亞麻纖維在土木工程大量應(yīng)用的關(guān)鍵，有待加強(qiáng)該方面研究。