植物纤维基泡沫材料中纤维的选取与改性研究进展_韩晨峰.pdf

2013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造2013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造植物纤维基泡沫材料中纤维的选取与改性研究进展韩晨峰1，张诗雅1，王鸿远1，孙彬青1，2，黄煜琪2（1.天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457；2.浙江大胜达包装股份有限公司，杭州311215）摘要：本文综述了植物纤维基泡沫复合材料的国内外研究进展。首先，对在低碳经济背景下植物纤维原料的选取进行了探讨；然后，以提高纤维泡沫复合材料的性能为目的，对天然植物纤维在物理、化学和生物方面的改性处理方式进行了探讨；最后，对植物纤维基泡沫材料中纤维的选取以及预处理改性的发展趋势进行了展望。关键词：植物纤维；泡沫缓冲材料；纤维选取；改性处理聚合物泡沫材料具有质量轻、可吸收冲击载荷、隔热和隔音性能好等诸多优点，因而在工业、建筑、交通运输等领域得到了广泛应用。目前，常用的泡沫材料有聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、聚氨酯泡沫塑料（PU）、聚乙烯泡沫塑料（PE）和酚醛泡沫塑料（PF）等1。然而，传统泡沫材料在给人们生活带来便利的同时，其主要原料塑料难以降解，长期使用会产生大量白色污染。2020年1月，我国出台了关于进一步加强塑料污染治理的意见，正式从“限塑”转为“禁塑”2。2021年9月8日，我国颁布了“十四五”塑料污染治理行动方案，积极推动塑料生产和使用的减量，并科学稳妥地推广塑料替代产品3。2022年2月23日，我国生态环境部在例行发布会上再次强调了治理塑料污染的重要性，指出我国将推动关于进一步加强塑料污染治理的意见“十四五”塑料污染治理行动方案等落地见效，并将进一步加强与国际社会的合作4。植物纤维基泡沫材料不但具有聚合物泡沫的诸多优良性能，而且还可以生物降解，对环境友好；同时，植物纤维原料的来源广泛，是可再生资源5。因此，植物纤维基泡沫材料以其独特的优势，逐渐成为当前研究的热点，具有广阔的发展前景。植物纤维是植物纤维发泡材料的主要组成部分，在材料内部起着骨架支撑的作用，并保存发泡过程中产生的气体6。不同种类植物纤维经不同处理后的性质不同，对泡沫材料性能的影响也不同。对纤维原料的选择和处理是纤维泡沫材料制作过程中的重要环节。本文综述了植物纤维基泡沫材料研究中关于植物纤维原料选取与改性的研究进展，以期为今后植物纤维基泡沫材料的研究提供参考。1植物纤维的选取天然植物纤维是自然界中储量最丰富的可再生资源。目前，常用于植物纤维基泡沫缓冲材料的植物纤维主要有麻纤维、竹纤维、棕榈纤维、椰壳纤维，以及农作物秸秆和废纸等的纤维7。天然植物纤维大致可分为木材纤维和非木材纤维8。木材纤维细长均匀，并且纤维的挺度高，形成的泡沫材料有更高的强度。然而，森林资源是维持自然界生态平衡的重要部分，不能随意采伐，需要加以保护9。目前，对于天然植物纤维的选用，一般是选用生产周期短的木材纤维，如杨木纤维；或者是选用基金项目：2021年国家级大学生创新创业训练计划资助项目（202210057007）通信作者：黄煜琪，。82013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸2013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸非木材纤维，如棕榈叶片纤维、竹纤维、甘蔗渣纤维、麻纤维等。在当前低碳经济的引导下，对各种农业及工业品废弃物的回收利用已经成为一个重要的研究领域。其中的农业废弃物，尤其是玉米秸秆、高粱秸秆、稻麦秸秆等农作物秸秆的资源量极其丰富。此外，人们的日常用纸量和包装用纸量极其巨大，此类废纸纤维的来源相当广泛。对农作物秸秆和废纸的回收利用，不仅有利于保护环境和节约资源，还能大幅降低植物纤维基泡沫材料的生产成本。植物纤维在泡沫材料成型后起支撑作用，纤维的种类、长度及均匀性都对成型材料的性能有不同程度的影响。一般情况下，若纤维的长度越长、均匀度越高、表面杂质越少、纤维素含量越高，则最终泡沫材料的性能越好6。2植物纤维的预处理改性在将天然植物纤维原料用于植物纤维基泡沫材料前，需要进行一定的处理：首先要去除泥土、沙石等杂质；然后，在经过切片筛选后，采用化学蒸煮等工艺制成纤维浆料。对于废纸类原料，则需要经过分选、脱墨、去除杂质、研磨等操作制成纤维浆料。然而，植物纤维浆料仍需进一步处理，不能直接用于植物纤维基泡沫材料，主要原因是：（1）天然植物纤维是由多个纤维黏结在一起的纤维束，纤维束之间的作用力极小，很难为泡沫材料提供足够的力学强度。（2）植物纤维主要是由纤维素、半纤维素、木素和果胶等组成10，减少半纤维素和木质素等的含量、提高纤维素含量，有助于提升材料的力学性能。（3）植物纤维泡沫材料中所使用的胶黏剂大多为非极性、疏水性的聚合物。然而，植物纤维的亲水性极好，极性植物纤维与非极性聚合物之间的不相容性导致的弱界面相互作用，极大地降低了植物纤维基材料的性能。因此，需要对植物纤维进行改性处理，以提高纤维与纤维之间的作用力，改善纤维与聚合物之间界面相容性，提高纤维素含量，从而达到提高泡沫复合材料力学性能的目的11。对植物纤维的改性处理方式有物理改性、化学改性和生物改性三大类12。2.1物理改性物理改性是指使用物理方法对植物纤维进行处理。常见的物理改性方法有机械处理改性、热处理改性、蒸汽爆破改性、等离子体处理改性和表面吸附改性等。机械处理植物纤维可以将纤维束为分离为单根纤维，并且可使纤维分丝帚化，从而增强纤维与聚合物的界面积及纤维与纤维之间的机械联结。LI等13对桉树纤维进行了原纤化打浆处理以产生可控的较小纤维，结果表明：通过适当的原纤化处理可以使植物纤维基泡沫的密度降低、孔隙率增加、孔径分布均匀；并且，泡沫材料的杨氏模量提升了246%，屈服强度提升了75%。热处理可以降低植物纤维中的水分含量，使纤维表面变得粗糙，增大纤维表面积；同时，还可以使植物纤维表面羟基的含量降低，增大纤维的疏水能力14。ADEBAYO等15对红树林木纤维进行热处理，研究表明：热处理可以去除半纤维素和木质素等非纤维素成分，使纤维素含量提升22%；同时，热处理后红木纤维/聚乙烯复合材料的拉伸强度提升25%，弯曲强度提升46%。蒸汽爆破处理的基本原理是，在高压下让水蒸气充分润涨植物纤维，然后瞬间泄压使纤维发生膨胀、破裂，从而增加植物纤维的表面粗糙度，增大纤维的表面积。JU等16用蒸汽爆破法处理风车棕榈纤维，结果表明：蒸汽爆破处理去除了纤维表面的硅和蜡层，并且增加了纤维的表面积，使纤维变得更粗糙；处理后的棕榈纤维/聚氨酯泡沫塑料的开孔率降低约50%，使得材料的气流阻力和弯曲强度增大，进而使泡沫塑料的储能模量和损耗模量提升。使用等离子体处理植物纤维后可以使纤维表面的羟基、羧酸等官能团发生变化，从而改变纤维的表面能，改善纤维在聚合物中的浸润性和黏结性13。SORIANO-CORRAL等17对龙舌兰纤维进行乙烯等离子体处理，研究表明：经乙烯等离子体处理后的植物纤维由亲水改性为疏水，从而增强了与疏水性聚乙烯的相容性；经过处理后的龙舌兰纤维/聚乙烯泡沫材料的气孔平均尺寸更小，细胞壁和边缘更厚，细胞形态更均匀，材料的压缩模量提升30%，压缩能量吸收值提升23%。表面吸附改性是将功能性物质通过物理吸附的方式吸附于纤维素表面，达到对纤维素改性的目的18。王福涛等19通过在亲水纤维表面吸附具有核壳结构的阳离子聚胶乳，使得蔗渣纤维接的触角由0提高到102，说明纤维由亲水改性为疏水性。以92013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造2013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造此可以推测，经过处理后纤维与疏水性黏合剂之间的相容性更好，泡沫复合材料的性能更好。物理改性不使用化学试剂，对环境的污染小20。而且，物理改性的原理简单，大都是对纤维进行物理层面的改性，如去除纤维表面的杂质，使纤维表面变得粗糙，去除非纤维素成分，改变纤维的表面能。但是，物理改性对操作的要求较高，成本高，单独使用时的效果并不明显21，还可能损坏植物纤维。2.2化学改性化学改性方法是指通过化学方法对植物纤维进行处理。常见的化学改性方法有碱处理改性、乙酰化改性、偶联剂改性和酯化改性等。碱处理改性就是利用碱液处理植物纤维，去除植物纤维中的半纤维素、木质素和果胶等杂质，并使纤维表面变得粗糙。另外，纤维经碱液处理后易发生溶胀，材料成型后有利于吸收外界冲击载荷，提升材料的力学性能22。PAO等23用氢氧化钠处理椰子壳粉，发现碱处理可以去除木质素、半纤维素和杂质，使椰子壳纤维的表面变得粗糙；经过碱处理后的椰子壳纤维/聚苯乙烯泡沫材料在拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率、弯曲强度和弯曲模量等方面的提升都在30%左右。ZAFAR等24用氢氧化钠处理黄麻纤维后，制成的黄麻/聚乳酸复合泡沫材料的泡孔尺寸和体积膨胀率增加；同时，材料也有更好的尺寸稳定性，界面剪切强度提升约70%。乙酰化改性就是使纤维素表面的亲水性羟基通过乙酰化反应转化为疏水性乙酰基，从而提高纤维的表面疏水性，改善植物纤维与疏水性聚合物之间的界面相容性25。LIU等26用乙酰化试剂处理杨木纤维，结果表明：经乙酰化处理后，在纤维上接枝了乙酰基团，提高了纤维与酚醛的相容性，纤维团聚现象减轻；最终制得复合酚醛泡沫塑料的泡孔尺寸减小，泡孔密度提高；而且，乙酰化处理提高了材料的力学性能，抗压能力提升35%，粉化率降低32.3%。偶联剂改性即利用硅烷偶联剂与植物纤维进行硅烷化反应，在植物纤维上生成的硅烷基团可以起到桥梁的作用，将极性差别较大的植物纤维与疏水性聚合物结合起来。CZONKA等27对核桃壳进行硅烷化处理，发现加入经过硅烷化处理的核桃壳纤维后，聚氨酯复合泡沫材料的泡孔平均尺寸减小，结构更加均匀；并且，复合泡沫的抗压强度提升15%，弯曲强度提升9%，冲击强度提升6%；此外，复合泡沫材料的热导率提升17%，材料具有更好的热稳定性。酯化改性又称酸化改性，即纤维与有机酸或无机酸发生酯化反应，改性后的纤维表面极性降低，疏水性提高28。LIU等29对纤维素纳米纤维（CNF）进行酯化处理改性，研究表明，CNF的表面酯化提高了纤维在聚乳酸中的分散性以及与PLA的界面相容性，进而使CNF/PLA复合材料的弯曲强度提升了42%，拉伸强度提升了20%。化学改性使植物纤维发生了化学层面的变化，从而改变纤维表面的性能，增大纤维与聚合物之间的粘结能力。化学改性的操作简单，其改性效果明显、直接，优于其他改性方式。然而，化学改性中大量化学试剂的使用不仅增加了成本，而且对环境也有极大的危害。2.3生物改性生物处理即使用生物酶或真菌作用于纤维表面的纤维素、半纤维素、木质素和果胶等物质，发生特定的反应，从而达到对纤维改性的目的。目前，生物改性常用的酶有纤维素酶、果胶酶和漆酶等。经过果胶酶处理后，纤维中的半纤维素、木质素和果胶被去除，纤维束分裂成纤维素长丝，纤维变得可见并充分暴露。纤维中亲水性成分的消除，使得处理后纤维的耐水性增加，并且纤维分丝增大了与基体的接触面积，从而提高了与基体的相容性30。WERCHEFANI等31用果胶酶处理阿尔法纤维，经过酶处理的纤维分散更加均匀，半纤维素和木质素含量降至10%以下，复合材料的拉伸强度提升50%，弯曲强度提升40%，材料的力学性能显著提高。漆酶可以使木质素聚合或交联形成复杂结构，从而提高纤维泡沫材料的稳定性。LIU等32用漆酶处理大麻纤维，发现在漆酶处理后，大麻纤维的最大降解温度提高约5 C，并且经过处理的纤维/环氧树脂复合材料的机械性能提升56%。而在用氢氧化钠去除大麻纤维中大部分木质素后再用漆酶处理时，大麻纤维及其复合材料的力学性能提升并不明显。生物改性是对植物纤维进行生物处理，该方式不需要添加化学试剂，对环境污染小，相较于物理改性，其能耗低，操作简单。但是，生物改性对环境的要求较为严苛，并且其效率并不高，处理周期长。3结束语植物纤维基泡沫缓冲材料具有优异的性能，且102013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸2013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸对环境友好，在化石能源匮乏、提倡低碳经济的今天受到人们的广泛关注。目前，对缓冲材料研究主要集中于对植物纤维的选取与预处理改性，在选取了合适植物纤维并对其进行一定的改性处