农作物秸秆纤维增强复合材料研究现状

苗鹏飞　卢国锋

摘 要：随着人们对环境问题的重视，利用农作物秸秆纤维作为增强体来制备复合材料越来越引起人们的重视。本文叙述了秸秆纤维、纤维复合材料概念和分类，对包括木塑复合材料、秸秆纤维、树脂基复合材料和秸秆纤维、水泥基复合材料在内的几种典型的秸秆纤维增强复合材料的研究现状做了详述，并对秸秆纤维增强复合材料的应用发展前景进行了展望。

关键词：农作物秸秆；秸秆纤维；复合材料

中图分类号： TQ323.4 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-60-2

0 引言

我国是农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，每年包括玉米、小麦、稻草、棉花秸秆等在内的农作物秸秆产量可达数亿吨[1]。但这些丰富的秸秆资源却未得到很好的利用，目前的利用率只有约10%左右，而这其中的大部分又都是通过制造有机肥、直接还田、作动物饲料和作燃料等这些不加任何处理的方式低效率利用，经技术处理后利用的仅占2.6%[2]。其余60%多的秸秆均被作为废弃物直接焚烧掉，这不仅造成了自然资源的严重浪费，而且造成严重的空气污染，恶化的人类生存环境，因此，秸秆的处理急需一种更为有效的利用方法和途径。利用农作物秸秆来制备一些新型复合材料既可以有效利用农作物秸秆资源，又可减少环境污染，也是附加值非常高的一种秸秆处理方法，因此利用秸秆资源制备秸秆纤维复合材料已经成为秸秆处理研究的热点之一。为此，本文就秸秆纤维增强复合材料的研究进行了综述。

1 秸秆纤维

秸秆作为农作物的副产品，具体可分类为经济作物秸秆（油菜秆、麻秆、芦苇秆、棉花秆、豆类秸秆）和粮食作物秸秆（麦秸秆、谷类作物秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、高粱秸秆）[3]。秸秆纤维是将秸秆材料通过化学方法和物理机械处理的方法，得到稳定和细化后的纤维素纤维，秸秆纤维自身就是一种复合材料。一般来说，秸秆纤维的表面处理要采用两种方法：物理方法与化学方法。物理方法包括表面原纤化处理以及放电处理。化学方法有碱化处理、酯化处理、接枝改性、浸渍处理、涂层处理等。

2 纤维增强复合材料

凡是由两种或两种以上性质差异的原材料， 通过某种工艺方法形成的多相材料（各相间存在有明显的界面）都可称为复合材料。复合材料两个显著的特点分别是：材料的可设计性，就是按不同的性能需求进行材料的设计与制造。另外一个就是材料与结构件的一致性 。纤维增强复合材具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等特点。

复合材料的加工方法常用的有三种方法：①传统的加工方法或改进后的传统加工方法；②水力喷射加工；③激光加工。

3 典型秸秆纤维增强复合材料

3.1 秸秆/橡胶复合材料

秸秆/橡胶复合材料是将秸秆进行粉碎处理后，将其粉末填充于天然橡胶或丁腈橡胶基体里而制备的复合材料。相关的研究表明，将天然橡胶加入秸秆后门尼粘度会增大、流动性会下降，而且加工流动性也会变差，秸秆/天然橡胶复合材料的门尼粘度与秸秆用量成正比。而在机械性能方面，秸秆对天然橡胶（NR）一般只是起填充作用，对材料的机械性能影响不大；而对丁腈橡胶（NBR）而言，秸秆纤维的加入材料的强度和硬度提高，即具有一定的补强作用。用硅烷偶联剂对秸秆纤维进行处理后，或对秸秆纤维进行碱化处理后都可以明显提高秸秆纤维/橡胶复合材料的力学性能。在天然橡胶中加入秸秆纤维后，所得复合材料的耐热老化性能相较于天然橡胶本身在一定程度上有所降低。

3.2 木塑复合材料

木塑复合材料（wood plastics composites，WPS）是一种绿色环保型复合材料。主要是用热塑性聚合物（如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等）为基体，秸秆纤维或木粉为填料即增强体的复合材料。

木塑材料的研究最早开始于美国，至今已有几十年的历史，1997年加拿大Onyx公司首批生产线生产，现在国外目前大批生产主要集中在美国、加拿大、日本、俄罗斯、乌克兰、保加利亚。国外的研究主要集中在对木粉复合材料的预处理、增韧和增强复合材料以及吸水性复合材料。在我国，木塑复合材料始于福建林学院于20世纪80年代中期开始的研究，相比较国外起步较晚。1999年形成较为完整的工艺生产线，安徽蒙城县铝塑型材有限公司与蒙城县铝塑研究所合作研究完成了国内第一家大规模的木塑复合材料生产线。目前，国内一些生产技术比较先进的木塑公司产品已经赶上甚至超过国外，前景十分光明。 木塑材料的应用主要在这几个方面：建筑结构的部件、汽车内饰部件、室内外装修材料等。

3.3 秸秆纤维/PBS复合材料

秸秆纤维/PBS复合材料是以聚丁二酸丁二醇酯（PBS）为基体，麦秸秆纤维、稻草秸秆纤维以及竹纤维为增强体合成的复合材料。主要工艺方法：熔融共混法、热压成型法。

Yang-Zhao运用热压成型法制备了稻草秸秆纤维/PBS复合材料，其优点在与不仅提升了复合材料的综合力学性能，复合材料的吸水性也大大降低了。张敏[8]对玉米秸秆采用水煮处理后与PBS共混制备出了玉米秸秆纤维/PBS复合材料，其力学性能大幅度的提高。

秸秆纤维/PBS复合材料目前的应用领域是非常广泛的，包括：餐饮（如饭盒、一次性果盘等）、医药（药瓶、药品包装袋、生物医用高分子材料等）、农业（农用地膜、水果蔬菜套袋等）生活（化妆品瓶等）。

3.4 秸秆纤维/水泥基复合材料

秸秆纤维水泥基复合材料就是将农作物秸秆（如小麦秸秆，玉米秸秆、高粱秸秆等）掺入到水泥中共混得到的复合材料，其具有轻质、隔热保温、吸声、节能环保的优点。

秸秆/水泥基复合材料具有很长的使用历史。张琳等 通过对小麦秸秆纤维水泥基复合材料进行性能测试发现：对小麦秸秆做碱液处理后可降低小麦秸秆纤维中溶出物水泥化影响，增强水泥硬化程度，提高综合力学性能。

秸秆/水泥基复合材料主要应用于建筑领域。

3.5 秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料

秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料是既经济又环保的新型材料。以稻草秸秆玉米秸秆作等作为增强体得到的。吴其胜对其制备与性能进行了研究，他发现：在抗压强度、抗折强度以及保温性能方面较普通脱硫石膏墙体材料都有了很大的提升与改善。

4 秸秆纤维增强复合材料的应用

秸秆纤维增强复合材料以及其制品在以下一些方面的应用：

①建筑和土工材料：由于秸秆纤维增强复合材料具有比重小，隔热、隔音性能好，在广泛用作建筑工程材料。秸秆纤维水泥基由于具有较高的抗裂性能，因此可用作建筑承重墙的材料；秸秆纤维石膏复合材料可作为建筑墙体的墙面材料和顶部装修材料；而木塑复合材料则在建筑业中应用更为广泛，可用于室内外的多种建筑材料，如：室内地脚线、吊顶板材、门窗的框套等。另外，秸秆纤维增强复合材料还可用于围护栏、门窗型材。还有正在研究并初步应用的，如：百叶窗、墙板等。孙成栋采用水泥作为胶结料，木质纤维用农作物秸秆替换，然后添加特种的复合添加剂，生产出一种秸秆纤维填充水泥复合板，已取得了不错的成效。

②其他方面：隔音板、绝缘板、抗腐蚀板材。将秸秆纤维与废旧轮胎颗粒复合制造出了建筑绝缘复板，经过测试性能，发现其具有良好的隔音性、绝缘性、强耐腐蚀等性能，能够用来替换建筑行业所用的的绝缘材料；电池隔板、某些有特殊功能的填充原料与元件，例如保温、密封、耐高温、防紫外线等。

5 结语

增强复合材料已经成为复合材料领域新的研究热点与重点。但仍旧存在有一些问题需要继续研究克服的。首先，作为增强体的秸秆纤维的制备及其表面处理技术已无法满足需求，要研制出综合性能稳定可靠的秸秆纤维增强体秆纤维复合材料那就必须更新工艺，更好的处理秸秆纤维。再者，成型工艺与生产设备也是需要不断更新的。决定复合材料的性能、成本的关键技术就是成型工艺与生产设备。最后，就是怎样能够更好地制备出可完全生物降解秸秆纤维复合材料。只有这样才能够使其成为真正意义上的“绿色材料”。秸秆纤维增强复合材料具有的可回收和可降解等优良性能，将会满足未来社会的各个领域，尤其是在环保领域的发展潜力。新工艺与新品种的出现姜维秸秆纤维增强复合材料的发展带来更大的发展前景。

参 考 文 献

[1] 李国忠，高子栋.改性秸秆纤维增强石膏基复合材料性能[J].建筑材料学报，2011，14（3）：413-417.

[2] 刘洪凤，俞镇慌.秸秆纤维性能[J].东华大学学报（自然科学版），2002，28（2）：123-128.

[3] 曹稳根，高贵珍，方雪梅，等.我国农作物秸秆资源及其利用现状[J].宿州学院学报；2007（6）：110-112.