竹纤维在聚氨酯中的应用研究进展

宁春平 易玉华

(华南理工大学机械与汽车工程学院 广东广州 510640)

聚氨酯是一类具有软硬段嵌段分子结构的高分子材料,原料配方可调控性强,力学等性能变化范围十分宽广。尽管聚氨酯拥有诸多优良性能[1-2],但单一的聚氨酯材料难以满足某些更高及特殊的使用要求[3]。近年来,使用纤维增强聚氨酯复合材料成为制备高性能聚氨酯材料的重要途径之一。

竹纤维是一种可以完全降解的生物质纤维,纤维素含量在60%以上,纤维素分子的线形结构和多羟基特点使其可以形成大量氢键和高结晶度晶区,是竹纤维强度的主要来源,也是竹纤维在增强聚氨酯复合材料中的应用基础[4-5]。竹纤维以束纤维或微原纤维形态存在。束纤维直径大多在100 μm以上,由木质素将微原纤维粘结而成,有研究报道竹纤维拉伸强度和模量可达575 MPa和40 GPa[4],微原纤维拉伸强度甚至高达1 610 MPa[6],因此竹纤维对聚氨酯具有优异的增强作用。

竹纤维表面有很多纵向沟槽,横截面则呈中空扁圆形并具有较大的内腔表面积[4]。这些独特的结构使得竹纤维的吸音性、透气导湿性及对小分子的吸附性都非常好,从而让竹纤维在聚氨酯吸附材料和隔音材料中得以应用。

本文对竹纤维在聚氨酯材料增强、吸附和隔音方面的应用进行简单的综述。

1 竹纤维用于聚氨酯增强材料

竹纤维轻质、高强且表面含有羟基,是聚氨酯的优良增强材料。经表面处理后的竹纤维可提高与聚氨酯的界面粘接,对聚氨酯复合材料具有更好的增强效果。

2 竹纤维用于聚氨酯吸附材料

关于竹纤维/聚氨酯复合体系用于吸附材料的专利较多。竹纤维独特的中空结构赋予其优异的吸附性能,其在制备吸附异味、降低挥发性有机化合物(VOC)含量的复合材料中前景广阔。

姚华平[12]发明了一种低VOC车用短切竹纤维增强/大豆油基聚氨酯复合板,竹纤维起到吸附有害气体的功效,在纳米铁基二氧化钛复合光催化剂的作用下实现吸附气体的分解。该竹纤维/聚氨酯复合板材气味等级较低,其承重性、耐水性和抗冲击性能均优于现有车用顶篷材料。

关于竹纤维在吸附材料中的应用更多是以竹炭粉末的形式,竹炭粉末是竹子经过高温处理再粉碎而成,是天然竹纤维的一种利用形式。竹炭粒子具有疏松多孔结构,吸附性极强,可作为其它合成纤维的改性剂,如将竹炭粉末加入合成纤维熔液中纺丝可制成具有吸附性的纤维,将竹炭粉末引入发泡材料中则可提高复合材料吸附性能。Ren等[13]采用一步发泡法制备了竹炭/聚氨酯复合发泡材料。扫描电镜图表明,复合材料表面十分粗糙,对四氯化碳的最高吸附量达37.1 g/g,比纯聚氨酯材料提高了32%,而且使用5次以内吸附量没有明显下降。

3 竹纤维/聚氨酯复合隔音材料

噪音污染对人的身心健康影响很大,力学强度优异的竹纤维引入聚氨酯发泡将影响泡孔大小和形态结构,可制备很好的隔音降噪材料。

Chen等[14]将竹屑和小竹条引入聚氨酯发泡体系,发现适量加入这两种类型竹纤维均能提高聚氨酯泡沫材料的泡孔尺寸和气流阻力,使得复合发泡材料的吸音系数和吸音性能比纯聚氨酯发泡明显提高,在100～630 Hz的低频区效果尤其显著(纯聚氨酯发泡低频区吸音性相对较差)。其中,泡沫含有质量分数6%的竹纤维时,竹纤维聚氨酯复合泡沫的气流阻力和噪音衰减系数(NRC值)分别比纯聚氨酯泡沫提高126%和8%,对应在250～315 Hz频率区的吸音系数提高50%～60%,而且其隔音性在全频区均高于纯聚氨酯发泡材料。

楼利琴等[15]通过模压成型制备了竹纤维/聚氨酯复合材料,发现碱处理后采用直铺法制成的复合材料在150～500 Hz及1 000 Hz以上频率区的隔音性能明显增加,这是由于碱处理使得纤维束分离,纤维比表面积增大,与基体界面结合力和相容性增加,透气性变差，使得聚氨酯复合材料隔音性能增强。

专利[16]通过热压成型制备了竹纤维/聚氨酯复合板材,该板材不仅蓄热保温、隔音效果优良,且抗压、抗弯断裂等力学性能好。李婷婷等[17]对竹粉简单烘干热处理后,通过熔融共混和热压发泡法制备了竹纤维/热塑性聚氨酯复合泡沫,发现竹纤维的加入使聚氨酯复合材料的吸声性能有所改善。

竹纤维/聚氨酯复合体系隔音性能的改善使其比合成纤维/聚氨酯复合材料在成本、环保和综合性能上更具竞争力。

4 展望

竹纤维特殊的化学组成和结构,赋予其轻质高强和优异的吸附透气特性,在改善聚氨酯力学强度、吸附性能和隔音方面应用前景良好。目前有关竹纤维/聚氨酯复合体系的研究相对较少,如何充分发挥竹纤维更多天然特性,使复合材料具有更高力学强度仍需很多研究工作,另外竹纤维的有效改性及其与聚氨酯的复合工艺也有待进一步研究。