全 文 ：剑麻纤维及其复合材料的研究进展 ①
章毅鹏 廖建和② 桂红星
(华南热带农业大学理工学院高分子材料与工程系 海南儋州 571737)
摘 要 剑麻纤维(SF)是一种价廉质轻、比强度和比模量较高的天然纤维,可用作聚合物复合材料的增强材料。
介绍了 SF的组成结构及其特点,概括了 SF在增强聚合物复合材料方面的研究与开发,指出了此类复合材料的
应用价值。
关键词 剑麻纤维 ;纤维改性 ;增强 ;非金属复合材料
分类号 TS102.2+3;TB332
AdvancesonResearchesofSisalFiberandItsComposites
ZHANGYipeng LIAOJianhe GUIHongxing
(DepartmentofPolymerMaterialScienceandEngineering,SCUTA,Danzhou,Hainan571737)
Abstract Inrecentyears,sisalfiberhasbeenwidelyusedasreinforcementofpolymercompositesdue
toitsrenewableability,costefectiveness,lowdensity,highspecificstrengthandmodulus.Thispaper
introducedthecompositionsandcharacteristicsofsisalfiber(SF),reviewedtheresearchdevelopmentand
applicationofsisalfiberinreinforcedpolymercomposite,andpointedoutthegreatsignificanceof
developingthiskindofcomposite.
Keywords sisalfiber;fibermodification;reinforcement;compositematerial
① 华南热带农业大学校科技基金资助(No.Rnd0510)。
收稿日期:2007-09-20 责任编辑/里程 编辑部 E-mail:rdnk@chinajournal.net.cn或 rdnk@163.com
② 通讯作者:廖建和,男,硕士生导师。E-mail:ljh@scuta.edu.cn。
Vol.27,No.5
2007年 10月 热 带 农 业 科 学
CHINESEJOURNALOFTROPICALAGRICULTURE
第 27卷第 5期
Oct.2007
剑麻属龙舌兰科(Agavaceae)龙舌兰属(Agave
Linnaeus),原产于中美洲,是一种广泛种植的多
年生麻类经济植物,全球的剑麻纤维年产量高达
4.50Mt[1,2]。在我国,广东、广西、海南和福建等
地也种植剑麻,主要品种是东 1号(H·11648麻)[3]。
目前,由于全球能源和环境问题的日益严峻,采用
自然界丰富的天然植物纤维[如木纤维、竹纤维、麻纤维
(亚麻、剑麻、苎麻等)、椰纤维等]替代合成纤维在复合
材料中的应用,越来越受到人们的关注,例如剑麻
纤维增强树脂基复合材料就是性能较好的一种,它
除了有较高的拉伸和弯曲性能外,还具有很高的冲
击强度[4,5]。
1 剑麻纤维的组成及性能
1.1 剑麻纤维的组成
剑麻纤维(SisalFiber,SF)取自剑麻作物的叶片,
其化学组成以纤维素(50%～65%)、木质素(8%～10%)、
半纤维素(12%～20%)三大组分为主,这些化学成分
含量随种植地域及生长年份的不同而有所差异。其
中,纤维素和木质素含量对 SF性能的影响较大。
纤维素含量越多,纤维的模量越大;木质素含量
少,则纤维柔软富有弹性且色泽好、可纺性及染色
性均较好(反之则木质化程度高,纤维强度高,质地较硬)。
SF的木质素含量相对较高,而质地较硬。果胶含
量也是直接影响纤维强度和硬度的因素[6,7]。
1.2 剑麻纤维的性能
剑麻纤维具有纤丝长(1.0～1.4m),色泽洁白,
耐海水腐蚀、质地坚韧拉伸强度高等多种特性[8]。
其拉伸强度比黄麻高1倍以上,是麻类纤维中较高
的一种。SF的木质素和果胶含量较高,但其纤维
素含量高于木材,故 SF是植物纤维中较为理想的
一种。而且,SF的密度小,其比强度和比模量较
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2007年 10月 第 27卷第 5期热带农业科学
高,纤维的拉伸强度和模量分别为 450～700MPa
和7～13GPa,价格也比较低廉;缺点是SF力学性
能的多分散性,既含有结晶成分也有非晶成分[9]。
因此,SF适于制备轻质、比强度和比模量高、价廉
的纤维树脂基复合材料。
2 剑麻纤维复合材料的研究
近年来,国内外许多学者先后对 SF增强复合
材料进行了大量的研究。从已有的研究报道来看,
研究重点主要是改变 SF的表面处理方法、纤维形
态以及基质材料,从而获得不同性能的复合材料。
2.1 剑麻纤维的表面处理
剑麻纤维表面特征对剑麻纤维/聚合物复合材
料界面的形成及强度有较大的影响。复合材料的性
能取决于组分的性能和组分间的界面相容性。因
此,对SF的表面进行改性,提高SF中纤维素对试
剂的可及度和反应性,改善 SF与聚合物基体之间
的相容性十分重要。
剑麻纤维的改性方法有物理方法和化学方法 2
类,具体包括热处理、酸碱处理、有机溶剂处理、
改变界面张力、界面偶合、表面接枝聚合等。
容敏智等采用碱、硅烷偶联剂、乙酰化、氰乙
基化、热等物理和化学方法先对剑麻纤维进行预处
理,研究了各种处理方法对 SF结构和复合材料性
能的影响。结果表明:各种方法不仅可以改变纤维
与基体的界面,而且可以影响纤维本身的结构以及
原纤间界面;纤维经过碱处理后,复合材料的各项
力学性能均有显著提高;其它处理方法也能改善纤
维/基体的界面粘接,使材料的弯曲性能提高,但
材料的拉伸性能未有明显改善[10]。
周兴平等用碱处理或 MMA(甲基丙烯酸甲酯)接枝
聚合的方法对SF进行表面改性,研究了SF表面处
理对 PP(聚丙烯)/SF复合材料结构和性能的影响。
结果表明:SF表面处理改善了 PP与 SF间的界面
相容性,提高了PP/SF共混物的热稳定性和复合材
料的损耗因子强度,提高了 PP中 β晶型的比例,
降低了 PP相的结晶度,同时提高了复合材料的强
度和韧性;SF表面接枝 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)对
PP/SF复合材料结构和性能的影响,比表面碱处理
更为显著[11]。
杨桂成等研究了采用热处理、乙酰化处理以及
使用 KH-550偶联剂 “搭桥”等方法预处理剑麻纤
维,对剑麻纤维/聚氯乙烯复合材料的力学性能和
耐水性的影响。结果发现,几种纤维预处理均无助
于界面粘结的提高,而纤维不经处理的复合材料确
有更高的综合力学性能[12]。这表明,针对不同的基
体,只有选择合适的表面处理方法,才能有效地改
善复合材料的性能。
2.2 纤维形态与剑麻纤维复合材料性能
作为复合材料中的增强材料,SF的形态主要
有长纤维、短纤维和混杂纤维 3种。对于长纤维,
由于含量提高后,难以获得基体树脂的完全浸润,
故使复合物的流动性和粘结较差,从而使得材料的
性能下降,因此在增强复合材料中的研究相对较
少;短纤维则较好的避免了长纤维的弊端,但复合
材料的性能受到纤维长度、含量、排列方向和成型
工艺等的影响;混杂纤维复合材料的研究,主要是
SF与 GF(玻璃纤维)、SF与晶须混杂,由于存在混杂
效应,而使得复合材料的热稳定性、弹性模量、冲
击强度和弯曲强度等一些性能有了很好的改善,而
且也可降低GF复合材料的成本。
2.2.1 长纤维剑麻纤维复合材料
刘原等研究了单向连续剑麻纤维/环氧树脂复
合材料的力学性能。结果表明:当纤维的体积分数
φSF＝30%～70%时,剑麻纤维/环氧树脂复合材料的
拉伸强度及模量均符合混合律公式;SF在潮湿空
气中露置以后,其吸收的水分显著地影响由其所制
成的复合材料的界面粘结,致使材料的拉伸强度下
降,但断裂功却有明显的提高[13]。
卢殉等将单向连续剑麻纤维与基体树脂混合均
匀,混合物在压力机上于 120℃、8MPa热压成型,
制得单向连续剑麻纤维增强苄基化木纤维基复合材
料片材。结果表明:当 φSF＜30%时,各种强度性
能是较好的;当φSF＞30%后,各种强度迅速下降。
这主要是由于塑化的植物维流动性能仍然不够好,
当增强纤维的比例提高后,基体树脂无法完全浸润
纤维,粘结较差,从而使得材料的性能下降[14]。
2.2.2 短纤维剑麻纤维复合材料
梁小波等研究了SF增强PP复合材料的力学性
能和冲击特性。结果发现,在一定范围内,增加纤
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章毅鹏 等 剑麻纤维及其复合材料的研究进展
维的长度和降低 PP的质量分数 wpp均有利于提高
复合材料的力学性能。当 lSF＝30mm、wpp＝50%时,
复合材料的综合力学性能较好,弯曲强度 Sf为
47.85MPa,与 SPP(41.39～55.12MPa)相当;弯曲模量
Ef＝3.17GPa＞EPP＝1.18～1.57GPa;当 lSF＝20
mm、wpp＝30%时,短切 SF/PP复合材料的冲击性能
最好。采用短切SF增强PP基体,可使复合材料断
裂过程所吸收的能量增加,裂纹扩展缓慢,断裂后
期吸收能量增大,即复合材料具有更大的裂纹扩展
功;当 wpp＝30%时,不同纤维长度的短切 SF/PP
复合材料的冲击强度与最大形变值、最大冲击载荷
及其出现的时间成正比[15,16]。
K.Joseph等研究了短 SF与LDPE(低密度聚乙烯)
复合材料的力学性能。结果表明,复合材料的力学
性能受 SF的长度、含量、排列方向以及加工成型
工艺的影响。增加短 SF的长度可提高材料的力学
性能,当lSF＝6mm时,材料的强度达到最大值,然
后开始下降;复合材料的强度随φSF值的增大而逐
步增加,与混合律相符;纤维单向排列时,复合材
料的拉伸强度和模量是无规排列时的2倍多[17]。
2.2.3 混杂纤维剑麻纤维复合材料
由于 GF复合材料的力学性能优于 SF复合材
料,所以,可利用SF复合材料密度低及GF复合材
料力学性能高的优点,制得SF/GF/PE(树脂)复合材
料。因此,可采用SF与GF混杂的方法,利用混杂
效应从而制得某些性能优异的复合材料[18～20],并降
低 GF复合材料的成本。用 SF和 GF混合增强 PE
时,混合增强复合材料的断裂伸长率等性能均有
所提高[20],很少量的 GF就能大幅度提高 SF/PE复
合材料的弯曲强度和拉伸强度[21]。
杨桂成等研究了 SF与 GF混杂增强 PVC(聚氯乙
烯)复合材料的性能。结果表明:在 SF/GF混杂增
强PVC复合材料的弯曲弹性模量和无缺口冲击强度
方面均存在正的混杂效应;在弯曲强度上存在负的
混杂效应,故使弯曲强度有所下降[19]。
才红等研究了 SF/GF/PF(酚醛树脂)复合材料的
性能。研究结果表明,当wSF＝wGF时,SF/GF/PF材
料的冲击和弯曲强度、弯曲模量有最大值,出现正
的混杂效应。随着 wGF值的增加和 wSF值的减少,
材料的吸水性随之减少;SF/GF/PF复合材料经过
270h后,吸水率只有0.855%,说明材料的耐水性
较好[22]。
周兴平等研究了SF与晶须混杂增强PP复合材
料的性能。结果表明,CaSO4晶须能提高 PP/Ca-
SO4/SF复合材料的热稳定性。CaSO4晶须和SF能提
高 PP/CaSO4/SF复合材料的弹性模量和冲击强度,
但降低了复合材料的拉伸强度。由于受到弱界面键
合的制约,晶须的高强性能并没有在复合材料中充
分表现出来[23]。
2.3 不同基质的剑麻纤维复合材料性能
2.3.1 剑麻纤维/热固性树脂复合材料
目前研究较多的剑麻纤维增强热固性树脂主要
包括酚醛树脂[24]、环氧树脂[13]、聚酯树脂[25]等。
E.T.N.Bisanda等先用碱再用硅烷偶联剂处理
SF,研究了改性 SF增强环氧树脂的力学性能及耐
水性。结果表明:材料的力学性能比单用一种方法
处理要高,材料的耐水性也有了明显的提高[26]。
牟秋红等研究了 SF增强不饱和聚酯复合材料
的性能。结果表明,采用偶联剂和TDI(甲苯二异氰酸
酯)处理,当 SF用量为 10%时,UP/SF复合材料有
较好的冲击强度、弯曲强度和耐磨性。随着 SF用
量的增加,复合材料的冲击强度和弯曲强度降低;
耐磨性则是先提高后降低,在用量为 25%时最低,
但继续增加SF用量,耐磨性变好;随着SF用量的
增加,UP/SF复合材料的耐水性变差;SF用量对
UP/SF复合材料体系的电、热性能的影响较小[27]。
A.R.Sanadi等研究了剑麻纤维/不饱和聚酯的
力学性能。结果表明,剑麻纤维体积分数φSF＜40%
时,材料的拉伸强度、弹性模量及冲击强度指标随
φSF值线性增加,与混合律吻合得很好[28]。
杨桂成等采用对剑麻纤维先用碱处理再经
KH-550进行硅烷偶联处理的办法,研究了 SF增强
酚醛树脂复合材料及其性能。结果表明:由于硅烷
的偶联作用,使刚性的 SF与脆性的酚醛树脂基体
之间形成了一个有效的界面层(相),改善了两者之
间的粘结,从而提高复合材料的综合力学性能[24]。
才红对剑麻纤维/酚醛树脂复合材料力学性能
的研究结果表明:SF的表面处理方式、含量、长度
以及与玻璃纤维混杂对复合材料体系力学性能的影
响较大[29]。
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2007年 10月 第 27卷第 5期热带农业科学
2.3.2 剑麻纤维/热塑性树脂复合材料
剑麻纤维/热塑性树脂复合材料,主要是用 SF
增强热塑性树脂PS、LDPE和PP。
P.V.Joseph等研究了短剑麻纤维/聚丙烯复合
材料的制备条件与性能的关系。结果表明:lSF＝2
mm时,复合材料的强度最高;纤维经向排列时,
材料的强度最高,随机排列时的则次之,而纬向排
列时的最差;复合材料的强度随φSF值的增大而提
高。纤维用氢氧化钠、高锰酸钾、二异氰酸甲酯和
马来酸酐处理后,材料的拉伸强度均有所提高,其
中用氢氧化钠处理的提高幅度最大,达到 20%左
右[30]。
AugustinePaul等研究了 SF的含量、长度、
取向和成型方法对SF/LDPE复合材料拉伸性能的影
响。结果表明:在 SF与树脂熔融混合注射成型过
程中,纤维的损伤程度要比溶液混合后挤压成型的
大;随着纤维长度增加,复合材料的拉伸性能也随
之增加,lSF＝6mm时达到最大值;复合材料的拉伸
性能随纤维含量的增加有所提高;纤维的取向使复
合材料的轴向拉伸性能比无规取向时高2倍[31]。
彭学成研究了SF增强PS(聚苯乙烯)复合材料的
拉伸性能。结果表明:用苯甲酰处理 SF,能提高
其与 PS的相容性,同时也能提高纤维的憎水性,
增大SF与PS基料之间的界面粘合力,显著提高复
合材料的拉伸性能;纤维的长径比对复合材料的模
量无明显影响,但对拉伸性能影响较大;当 SF的
含量增加至20%时,复合材料的拉伸强度最大[32]。
周兴平等研究了PP/PMMA接枝剑麻纤维复合材
料的结构和性能。用注塑成型方法制备了 PP/PMMA
接枝 SF复合材料,研究了其热性能、晶态结构、
微观结构和力学性能。结果表明,表面接枝 PMMA
的 SF,增强了 PP与 SF之间的作用力,改善了
PP/SF的热稳定性,降低了 PP相的熔点。同时,
加入 SF能诱导 PP生成 β晶型,提高 PP相的结晶
度,降低无定型PP的玻璃化转变温度。经PMMA接
枝的 SF,提高了 PP的模量,对 PP有明显的增韧
效果[33]。
AugustinePaul等研究了表面处理对 SF/LDPE
复合材料电性能的影响。结果表明:复合材料的介
电常数,随着纤维含量的增加而增大,而随频率的
增加而减小;SF预先经化学处理的,复合材料的
表面吸水性降低,从而使介电常数下降,体积电阻
率增大,介质损耗减少[34]。
2.3.3 剑麻纤维/橡胶或弹性体复合材料
短剑麻纤维对 NR(天然橡胶)具有明显的补强作
用。SF补强橡胶复合材料,由于能较好地结合了
纤维的刚性和橡胶的柔性,使之既具有纤维的高模
量又有橡胶的高弹性,因而是一种重要的新型复合
材料[35～37]。
刘惠伦等对SF补强ENR(环氧化天然橡胶)/PVC复
合材料的研究结果表明,乙酸乙酯溶液浸泡未硫化
的剑麻短纤维补强ENR/PVC复合材料,具有较好的
补强作用。乙酰化处理后有利于纤维与橡胶的粘
合,具有较高的硬度和纵向拉伸强度、较低的扯断
伸长率和扯断永久变形、良好的耐油和耐老化性
能。剑麻短纤维用量以 30份为宜,ENR/PVC共混
比以70/30为宜[38]。
陈卫丰等研究了 SF和聚乙烯改性 SBS热塑性
弹性体的性能。结果表明,组分 PE的用量对
SBS/SF/PE三元共混材料的拉伸强度影响较大,而
组分 SF的用量对材料的扯断伸长率和拉伸永久变
形有较大的影响。SBS、SF、PE的比例为 60∶30∶
30时,共混材料可获得较好的拉伸强度;而想要
获得永久变形较小的共混材料,三者的比例宜为
80∶30∶20[39]。
3 结语
剑麻纤维有着优良的综合性能,对其复合材料
的研究也有了很大的进展,各国学者也都越来越重
视。一方面是由于剑麻纤维属于天然纤维,是可再
生的环保型资源;另一方面,利用 SF的质轻、韧
性好、价格便宜等优点,可以降低复合材料的制造
成本,增强产品的市场竞争力。因此,开展剑麻等
天然纤维/聚合物复合材料及其制品的应用开发研
究,对充分利用我国丰富的天然纤维资源优势和已
有的复合材料科技优势,提高新材料技术以及对我
国国民经济的增长,都有重要意义。
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