植物纤维制备水泥基复合材料的研究现状

苏林强

（武汉建筑材料工业设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

在20世纪70年代，全球主要使用石棉来制备纤维水泥制品。石棉具有纤维柔软，抗折强度高、易抄取、隔热、隔音、耐高温、耐酸碱、耐腐蚀和耐磨等特性，是制备纤维水泥制品的理想材料。石棉纤维的应用持续了半个多世纪，20世纪70年代人们发现石棉纤维对人体存在健康隐患，因此各国均开始禁止使用石棉纤维。大量的企业和研究机构开始投入精力研究可替代石棉的纤维。目前工业上主要采用经过化学处理的木浆纤维替代石棉用于制备纤维水泥制品。木浆纤维经过松解后具有和石棉纤维相似的工艺性能，纤维长度大部分处于1mm~6mm，抗拉强度500MPa~700MPa，耐高温高湿，且对人体无害[1]。由于木浆纤维是使用山松、湿地松、桉树等树木制备，树木生长周期长，导致木浆纤维价格波动大，资源可持续性差，因此大量人员和机构着手于其他种类植物纤维的可利用性研究。

常见的植物纤维除木浆纤维，还有剑麻纤维、麦秸秆纤维、稻草纤维、香蕉纤维、甘蔗渣纤维、芦苇纤维、棉花纤维、大麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、竹纤维、椰壳纤维等等。在已发表的资料中，这些纤维在水泥基材料中使用情况良好，制备的复合材料性能受到植物纤维种类、尺寸、掺量等影响。《建筑用植物纤维水泥复合板》行业标准已经立项，由此可见国家对植物纤维在建筑材料行业利用的重视。本文主要介绍不同植物纤维在纤维水泥基复合材料中的应用现状及研究进展。

1 植物纤维的基本性能

1.1 植物纤维的分类

植物纤维主要分为木浆纤维和非木浆纤维，木浆纤维主要来自于硬木和软木，非木浆纤维种类比较多，来源也很广泛，具体分类见图1所示[2]。

图1 植物纤维的分类

木浆纤维由相应木材处理得到，一般而言木材的生长周期较非木浆纤维植物长，纤维质量较非木浆纤维好；非木浆纤维相对木浆纤维来源更加广泛，生长周期也较短，且大量的非木浆纤维主要来源于农作物废料，价格低廉[3]。

由于不同植物或者同种植物不同部位的材料的性质不同，制备出的纤维性能会不同，同时处理方式的差异也会导致纤维差异比较大，纤维的性能差异主要由纤维的长度、直径、长径比和比模量（单位密度的弹性模量）等决定。

1.2 植物纤维物理和力学性能

植物纤维中主要的物质是纤维素纤维、半纤维素和木质素，具有增韧效果的主要为纤维素纤维，半纤维素和木质素呈凝胶状填充在纤维素纤维之间，粘结纤维素纤维，半纤维素和纤维素会延缓水泥水化，影响水泥水化反应，对早期强度不利，同时半纤维素和纤维素在碱性环境下容易水解，降低材料后期的强度，因此需要将植物纤维经过一定的处理，控制半纤维素和木质素的含量，目前常用的方法为机械磨浆和化学改性方法[4]。经过上述方法处理后不同植物纤维的长度、直径和长径比见表1所示[5]。

表1 植物纤维物理性能

合适的长度和长径比能够使纤维比较牢固地锚固在基体中，对纤维和基体的结合有利，纤维尺寸对纤维在基体中的分散有明显影响。不同种类的纤维具有不同的强度，常见的植物纤维和玻璃纤维的比模量变化范围见图2。

图2 植物纤维和玻璃纤维比模量值

与玻璃纤维相比较，竹纤维、亚麻纤维、大麻纤维，黄麻纤维、洋麻纤维和苎麻纤维比模量值波动大，选择合适原材料和处理方式，能够达到优于玻璃纤维的比模量，这些纤维属于韧皮纤维和长草纤维，纤维本身韧性好，且纤维长度长，可以制备出合适的尺寸的纤维。其他种类纤维，如玉米秸秆，比模量值小于玻璃纤维，但是大部分都是原材料来源丰富的植物，价格低廉，性价比高[3]。

1.3 植物纤维与基体结合能力

植物纤维水泥基复合材料主要是由增韧纤维和水泥基体材料组成，影响植物纤维复合材料强度的除基体和纤维本身强度外，基体和纤维界面区结合强度也是很重要的因素。界面区控制着纤维与基体之间的应力传递，界面区的强度取决于界面处纤维和基体的粘着程度，良好的界面强度使基体具有最优的抗应力破坏能力，能够保证应力从基体经过界面区域传递到纤维中，在基体受损后，若纤维大部分或全部直接断裂，材料表现出脆性断裂，能够吸收的能量较低[6]，若大部分纤维在和基体界面结合良好的情况下，主要以拔出方式为主，小部分表现出断裂，材料表现出应变硬化的状态。

尚君等人发现竹纤维和剑麻纤维采用分层平铺时，在单轴拉伸作用下呈现出应变硬化及多缝开裂现象，剑麻纤维分层平铺试件极限拉伸强度达到4.08MPa，相比初裂强度提高了52.81%[7]。Savastano等人研究表明经过打浆处理的红松牛皮纸纤维，在水泥体系中，断裂面纤维呈现出断裂和拉出两种效应，为材料提供了良好的抗折强度和韧性。未打浆的剑麻牛皮纸纤维表面光滑，部分材料断裂时直接从水泥基体中拔出，同时一些纤维直接断裂，这表明纤维和基体结合比较强。剑麻纤维、香蕉纤维和桉树木浆纤维在保持一定的长度时，在水泥基体和高炉矿渣基体也能够结合良好，表现出良好的力学性能[8]。麦秸秆在水泥基体开裂时能够搭接微裂缝，提高材料的韧性。

在植物纤维增强材料的使用过程中，植物纤维的高吸水性和随湿度产生的尺寸不稳定会导致纤维－基体之间粘结性不良，结合能力下降，界面性能受损，一般可通过对植物纤维进行改性来改善界面性能。王翠翠等人[9]发现CaCO3原位沉积能够对纤维表面进行改性，提高单根纤维的拉伸能力，增强复合材料的界面强度。马玉峰等人[10]采用热处理、碱处理等不同的处理方式对植物纤维表面进行改性，提高了复合材料的界面结合能力。Motta[11]在不同温度条件下热压处理剑麻纤维，降低了纤维的吸湿能力，提高了纤维的弹性模量。

2 植物纤维对纤维水泥基复合材料性能的影响

植物纤维种类、掺量、养护条件等对植物纤维水泥基材料的物理和力学性能有明显影响，表2为常见植物纤维的一些物理性能和在不同基体中表现出的力学性能[12]。

表2 植物纤维水泥基复合材料的物理性能和力学性能

各类植物纤维的密度在1.1g/cm3～1.9 g/cm3范围内，密度都非常小。在纤维掺量、养护方式和基体材料相同的条件下，掺量为8%时，木浆纤维制品的抗折强度＞香蕉纤维制品的抗折强度＞竹纤维制品的抗折强度；掺量为4%时，红松纤维制品的抗折强度＞香蕉纤维制品的抗折强度＞剑麻纤维制品的抗折强度。在普通硅酸盐水泥和石英砂制备的基体中，亚麻纤维和红松纤维制品抗折强度相同，且略大于桉树木浆纤维制品，大于香蕉纤维制品。同种纤维制备不同基体的纤维制品，需要采用不同的养护方式，采用标准养护和自然养护生成的主要物质为水化硅酸钙和氢氧化钙，采用蒸压养护生成的主要物质为托贝莫来石，蒸压养护需要的温度高，但是养护时间短。不同纤维在不同基体中表现不同，红松纤维石膏材料抗折强度最高，桉树木浆纤维在不同基体中抗折强度变化不大。

3 结束语

植物纤维种类丰富，储备量大，价格低廉。各种不同的植物纤维通过不同的处理方式，能够获得良好的使用性能，能够和水泥等材料复合使用。相比非植物纤维，植物纤维的可降解性是其一大优点，符合建筑材料的环保要求。

大量的研究均表明了植物纤维在水泥基材料应用方面的巨大潜力，可是实际应用中仅木浆纤维得以在纤维水泥板/硅酸钙板生产中得到广泛使用，而我国采用的木浆纤维亦非出自本国，主要来自于国外进口；而我国含量最为丰富的农作物副产品水稻、小麦、玉米等的秸秆纤维等尚未工业化生产，主要原因有：植物纤维性能受到自身生长环境、品种等影响较大，产量有周期性波动，表现出一定的地域性分布；国内有部分对植物纤维的应用研究，但是缺乏对植物纤维本身性状，以及和其他材料复合使用时相互之间的作用机理研究，也缺少指导实际生产和应用的相关技术性文件，这些都限制了植物纤维的规模化生产和应用。因此，植物纤维的工业化生产和利用还有很长一段路要走，需要行业内外的力量一起推动。