改性新工艺巧解天然纤维与聚合物“世仇”

材料牛注：日前来自美国生物复合材料公司Sunstrand的研究人员改进了天然纤维的上浆工艺，使它与偶联剂直接作用，为提高天然纤维与树脂间结合力提供了一条便宜之路。

生物纤维作为一种天然纤维而非合成纤维有着重要意义。在复合材料制造领域最关注的两点是其亲水性和其与树脂间较差的结合性（包括热塑性树脂和热固性树脂）。尽管这两个领域都存在问题，但关于纤维的吸放湿性的解决办法却相对比较容易：可通过加热、使用干燥剂或双管齐下，将纤维干燥成球或毡片，以确保它在加工成型前保持干燥。

如何解决天然纤维与高分子材料固有的较差连接性是由来已久的技术难题。最普遍也最简单的处理方法是用树脂及偶联剂处理需要连接的材料。通过化学方法在树脂和纤维之间引入强力的键和。但是Sunstrand公司的Riddle博士认为这种方法存在很多不足而且收效甚微。

根据Riddle的观点，偶联剂的浓度通常在3%左右（即每100g树脂添加3g的偶联剂）。偶联剂可通过其自身的功能团改性聚合物，从而加强树脂与纤维的结合。但它不能直接改性纤维。在复合材料中，如果纤维含量为25%，那么树脂的含量则要比纤维的3倍还多。这意味着大部分经偶联剂改性的聚合物并没有和纤维发生连接，而是仅仅浮在纤维间的树脂聚集区。虽然已经证实添加偶联剂可以起到一定的助联作用，但因它们无法自行迁移至结合区，且必须与树脂均匀混合，所以为了加强结合强度，必须在树脂中添加更多的偶联剂，而这必然会带来了材料的耗费和成本的上升。

Riddle认为更好的方法是将偶联剂直接放置到需要它的地方——即纤维处，从而直接对纤维改性。该方法目前已针对玻璃纤维进行了标准化。直接对纤维改性是提升结合力的更有效方法，因为所有的纤维表面都可用来与聚合物联接。问题是目前科学家并没有针对天然纤维的上浆工艺做出大量研究。Riddle指出传统的上浆工艺确实起到了一些作用，但是仅仅“一些”是不够的。化学作用在天然纤维上无法像在玻璃纤维上那样很好地进行，毕竟它是针对玻璃纤维设计的。

Riddle表示，Sunstrand有关于改进天然纤维上浆工艺的研究项目，其中化学和机械处理都是必要的，目前已经报道了一些已被证实可有效改善纤维/树脂结合力的方法。他说：“期望在不久的将来，通过这些改性研究我们可以更经济地使用某些超高性能纤维。”

本文参考地址：sizing-up-natural-fibers

本文由新锐编辑任洁翻译，张艺审核，感谢曾庆辉提供素材！