天然纤维复合材料:什么阻止了它们的发展?

作者:INTEXIVE CONSULTING MOHAMAD MIDANI 文章来源:PT塑料网 点击数:17 发布时间:2019-08-30
天然纤维凭借其独特的性能而正在成为复合材料的增强材料中强大的可持续候选材料,然而,它们仍处于被采纳的早期阶段,并面临着诸如兼容性和可用性等一些障碍,从而阻止了它们进入大批量应用的市场。
天然纤维复合材料:什么阻止了它们的发展?

天然纤维增强材料的出现已有一段时间了,但一些因素如与当前工艺的兼容性和地域上的可获得性等,继续限制了它们的广泛应用。


特斯拉赛车的车身采用了亚麻增强材料

天然纤维复合材料的应用可以追溯到古埃及人,他们曾用泥土和稻草做砖。最近一些年,天然纤维作为增强材料在聚合物复合材料中的应用受到了广泛关注,尤其是在研究领域,出版了许多有关天然纤维复合材料应用的文章。然而,到目前为止,天然纤维复合材料的商业化应用仅限于木塑复合材料和汽车内部的门板。而且,关于目前市场上有的天然纤维复合材料,很少有明确的统计数据,事实上,大多数的报告都在讨论预期的潜在市场而不是当前市场。

世界天然纤维的消费量

世界上可用作复合材料中增强材料的天然(也被称为“蔬菜”纤维,因为它们来源于大麻和亚麻等植物)纤维的消费量在2018年总计为43亿美元,2010~2018年的复合年增长率为3.3%,这种低增长率强有力地表明“市场增长没有预期的那么快”,并提出了一个值得关注的问题:什么阻碍了天然纤维复合材料的发展?换句话说,在复合材料的众多应用中采用天然纤维复合材料存在哪些障碍?为了回答这个问题,应该参考一下由学者Rogers提出的“创新理论的扩散”观点,它解释了如何在一个社会系统的参与者中传播新的思想、技术和产品。


根据联合国贸易统计,Intexive计算出中国是2018年全球天然纤维生产的领先者

什么阻止了它们的发展?

根据Rogers的理论,有5个主要因素会影响创新的扩散:相对优势、兼容性、复杂性、可试用性和可沟通性。

相对优势:与其无机对应物和玻璃纤维相比,天然纤维增强材料拥有许多优势,比如,它们具有低密度、高比特性、可生物降解、来自可再生资源以及碳足迹小,能提供良好的隔热、隔声性能。当采用天然纤维复合材料开发新产品时,必须要强调这些相对优势,这就是为什么汽车行业处于采用天然纤维复合材料的最前沿——这些优势满足了现代车辆提出的所有要求,特别是在考虑到电动汽车的发展以及开始实施的更严格的环保法规时。

兼容性:天然纤维增强材料的不足之处在于其亲水性,这使其与工业中使用的现有的疏水树脂系统不相容,而且,低耐热性限制了它们与拥有高熔融温度的热塑性基体材料的相容性。此外,它们在力学、化学和物理性能方面的高变异性以及标准的缺乏,还限制了它们与某些行业(如航空航天)制定的质量标准的兼容性。不仅如此,粗糙的质地使得采用现有的纺纱生产线很难对它们进行纺纱,它们也很难转变成编织的预成型件。由于这些原因,大多数天然纤维增强材料是以非织造布的形式而得到应用。此外,它们的表面官能团与现有树脂体系中的官能团之间的不相容性,导致了纤维-基体界面的粘接力差以及负载转移效率非常低。最终,导致它们的年利用率很低,而且它们的季节性还使它们与某些供应链(如风能和建筑行业)大而持续的消费需求不相适应。总之,天然纤维复合材料与当前生产方法之间低的兼容性,是阻止其得到广泛扩散和应用的主要原因。

复杂性:在复合材料行业中,很少有人拥有足够的有关天然纤维增强材料的经验和知识来自信地开展研究,而且在价值链的不同层次之间存在很大的差距,比如,纤维加工商经常使用技术含量较低的设备,而复合材料制造商则相对是高科技的。鉴于这一差异,有必要弥合不同价值链参与者之间的差距,并指导农民、纤维加工商和织物制造商了解天然纤维的这种新的最终用途,并向复合材料制造商介绍这种新型的增强材料及其与合成纤维的区别。

可试用性:天然纤维增强材料主要来源于生长在发展中国家(如中国、孟加拉国、印度和斯里兰卡)的植物,而复合材料制造商主要分布在美国、西欧和日本。这种地理屏障使得复合材料制造商很难方便地获得天然纤维增强材料用于研究。此外,一些国家禁止种植大麻,这也极大地限制了它的可试用性。亚麻则是个例外,因为它主要生长在法国和比利时,这是许多复合材料制造商所在的地区。事实上,能够在这些地区方便、快速地获得亚麻,已显著增加了它的可试用性,并使它成为应用最广泛的天然纤维增强材料。

可沟通性:该术语指的是更容易地让用户看到使用天然纤维复合材料的好处。使用天然纤维增强材料最重要的好处是与环境可持续性紧密相关,包括减少碳足迹、生物降解性和可再生性。虽然这些好处很重要,却不易被潜在用户识别和欣赏,但还有其他可以轻易察觉的直接好处,如轻量化、高比特性、良好的隔热和减震性能。正是因为天然纤维复合材料最重要的好处不能被用户轻易看到,所以极大地限制了它们的传播和采用。


根据InTEXive,亚麻纤维是2018年底消耗量最大的天然纤维 

克服障碍

有几个项目旨在提高天然纤维增强材料的形态相容性,以提供一种类似玻璃纤维和碳纤维的现成的增强材料。这些项目包括将天然纤维复合材料用于低捻粗纱、单向带、机织物、铺丝布和预浸料,其中大部分涉及Bcomp Ltd.(瑞士Fribourg)和Composites Evolution(英国Chesterfield)提供的亚麻纤维。改善树脂相容性的另一项尝试是巴斯夫(美国北卡罗来纳州夏洛特)开发的Acrodur水性丙烯酸树脂。

一个由FiMaLin协会(法国Gruchet-le-Valasse)和AFNOR认证集团(法国Saint-Denis)实施的名为“QUALIFLAX”的项目,专门为控制和确保天然纤维增强材料拥有一致的技术性能、可靠的供应和定价而开展研究。此外,像Fibragen(西班牙Valencia)这样的项目旨在开发一种转基因亚麻,它具有改进的和一致的性能。

有几个机构通过其EcoComp会议,正在引领复合材料行业提高对天然纤维的认识,如欧洲亚麻和大麻联合会(简称“CELC”,法国巴黎)以及NetComposites(英国Chesterfield)。

然而,仍有必要去探索拥有高力学性能但比亚麻和大麻拥有更大的年供应量和更低价格的新型天然纤维。Sunstrand LLC(美国肯塔基州Louisville)正在利用竹纤维以及inTEXive(埃及开罗)正在利用椰枣棕中的肋骨纤维在此领域开展有前景的研究。

综上所述,天然纤维凭借其独特的性能而正在成为复合材料的增强材料中强大的可持续候选材料。然而,它们仍处于被采纳的早期阶段,并面临着诸如兼容性和可用性等一些障碍,从而阻止了它们进入大批量应用的市场。因此,需要清楚地了解这些障碍,并尽努力克服这些障碍。研究人员、业余爱好者、企业家和技术狂热者等有远见的人正在引领克服这些障碍的道路,而且汽车和体育用品行业已经显示出采用的积极迹象。未来是绿色的,随着工业界重新将兴趣放到生物基材料上,天然纤维将迎来广泛的应用。

版权声明:版权归弗戈工业在线-PT塑料网所有,转载请与我们联系!