天然纤维增强聚乳酸复合材料的研究进展外文翻译资料

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天然纤维增强聚乳酸复合材料的研究进展

Ramengmawii Siakeng,¹ Mohammad Jawaid,¹ Hidayah Ariffin,² S. M. Sapuan,¹ Mohammad Asim,¹ Naheed Saba¹

¹马来西亚普特拉大学热带林业和森林产品研究所生物复合技术实验室，邮编：43400 UPM Serdang，雪兰莪州，马来西亚

²马来西亚普特拉大学热带林业和森林产品研究所生物聚合物和衍生物研究所，邮编：43400 UPM Serdang，雪兰莪州，马来西亚

摘要

生物聚合物基复合材料因其具有良好的生态友好性和环境可持续性，以及广泛的应用前景而受到研究者和工业界的关注。含有天然纤维和生物高聚物的生物复合材料是开发可生物降解材料的理想选择。聚乳酸（PLA）是一种环境友好的生物高聚物，具有透明性好、加工性好、表面光滑、刚性好等优点，但也存在脆性大、结晶速率高等缺点。聚乳酸基天然纤维复合材料是完全生物基材料，具有良好的生物降解性和力学性能。人们对聚乳酸及其复合材料进行了一些研究，以探索其替代石油基产品的潜力，但到目前为止，文献中还没有全面的综述和最新的研究数据。本文综述了近年来聚乳酸和聚乳酸基天然纤维复合材料的研究和发展趋势。综述了聚乳酸及其复合材料的合成和生物降解的研究现状、性能、发展趋势、面临的挑战和前景。PLA基复合材料资源较为丰富，在降低成本、扩大应用等方面还有待进一步研究和开发。

1 引言

生物聚合物被认为是传统燃料聚合物的潜在替代品，因为后者引发了当前环境污染、温室气体排放和化石资源减少方面的关注^[1]。在这方面，聚乳酸（PLA）因其优异的物理力学性能、可再生性、生物降解性和相对较好的可用性而成为许多生物聚合物中的领跑者^[2,3]。聚乳酸（PLA）是研究和应用最广泛的生物高聚物之一，在包装材料、纤维生产和复合材料等领域有着广泛的应用。聚乳酸在环境友好聚合物市场上占有重要地位，是未来发展最有希望的候选材料之一^[4]，天然纤维由于其加工过程中的灵活性、高度的固化性、易接近性、可生物降解性、低成本等优点，在聚合物复合材料中作为增强材料的应用正呈上升趋势体积基础）和生态友好性^[5]。对消耗不可再生矿物燃料的环境和能源问题的日益关注，进一步为天然和环境友好聚合物替代石油资源铺平了道路^[6]。

天然纤维基聚合物复合材料在生物降解性、生态友好性、成本、可用性、低密度等方面比传统合成材料具有许多值得注意的优点^[7]。天然纤维增强聚合物复合材料在食品包装、汽车、铁路客车和飞机内饰、存储设备^[8]以及建筑和结构应用^[9]中得到越来越多的认可和进一步的接受。许多基于生物的天然聚合物正在被探索和研究，以获得不同的应用^[10-12]。科技进步与消费者的需求和前景一起，继续提高了对资源的需求，从而导致了物质可及性和环境可持续性等重大问题^[5]。

人们对生物复合材料（称为“绿色”复合材料）的研究和开发越来越感兴趣^[13]，这是由全世界对创造具有循环资源文明强烈需求引发的^[14]。在生物复合材料领域内，多种天然纤维被并入生物聚合物中，例如PLA^[15]和淀粉，以增强天然聚合物基质材料并改善其整体性能^[7]。

在过去的几年里，天然纤维复合材料经历了显著的转变，在应用和环境影响方面越来越充分，而制造工艺也得到了深入的研究和应用^[5]。

利用生物高聚物作为天然纤维生物复合材料基质的想法正在不断获得越来越多的认可^[5]。从技术角度来看，新兴的天然聚合物的发展是惊人的，同时考虑到已经取得的进展，它们反映了市场上生物聚合物的迅速扩张^[16]。全球生物聚合物产能可能从2013年的233万公吨增加到2020年的345万公吨，从产量来看，重点产品将是聚乳酸和淀粉基塑料^[17]。

现在，聚乳酸已经成为一种可行的材料，具有广泛的应用，如包装、汽车和生物医学应用^[18]。聚乳酸是一种环境友好、具有商业价值的生物高聚物，具有良好的透明性、光滑的外观、高刚性和良好的加工性能。另一方面，由于其固有的脆性和韧性差（lt;10%的断裂伸长率），降解速度慢（主链酯基水解），限制了其广泛应用^[19,20]。基于PLA的包装材料不太可能面临基于市场的成本波动，因为它们是由自然资源生产的^[21]。利用PLA与天然植物纤维复合开发完全可生物降解的复合材料已经取得了很大的进展^[2]。鉴于聚乳酸和天然纤维都来自可再生资源，而且这些都是可生物降解和生物复合的，天然纤维/聚乳酸复合材料是绿色环保材料，也可以回收利用^[6]。完全可生物降解的复合材料由于其降低了处理成本和降低了服务后的废物处理成本而具有强大的优势（天然纤维增强复合材料可以简单地通过填埋或焚烧处理）。此外，生物聚合物与各种加工技术兼容，如注塑、挤出、压缩成型等，可用于复合材料制造^[2,22]。

由于聚乳酸聚合物是现有常规聚合物的更好替代品，因此研究工作一直致力于聚乳酸聚合物的机械和热性能^[23]。在现有的热塑性聚合物中，聚乳酸是一种天然来源的聚合物，其全球年产量估计超过14万吨。PLA的生产需要的能源量很低，这反过来又导致温室气体的排放减少^[24]。工业部门，特别是汽车内饰制造商，也意识到了生物复合材料的重要性，并转向使用聚乳酸，从而减少了对石油基聚合物的依赖^[14,25,26]。

PLA的生命周期评估表明，由于其供应链需要较少的运输，因此排放较少的温室气体，因此替代现有的内部组件材料是一个更好的选择^[18,27,28]。聚乳酸基复合材料具有良好的生物降解性、可再生性和二氧化碳排放量少等优点，具有广阔的市场前景。此外，通过适当的市场营销，PLA将帮助客户认识到，高性能的产品可以由可再生资源制成，这对环境更健康^[21]。

2 天然纤维

与合成纤维相比，天然纤维具有灵活性、生态友好性、低成本、可再生性和本地可用性，是复合材料行业潜在的替代材料^[29]。一般来说，天然纤维被认为是可再生的和可持续的，但事实上，它们都不是，因为从中提取天然纤维的植物是可再生的和可持续的，而不是纤维本身^[5]。近年来，由于环境和可再生的考虑，人们加大了研究力度，以提高植物性天然纤维的利用率，如椰壳纤维、菠萝叶纤维、红麻纤维、竹纤维等。此外，含有天然纤维的聚合物复合材料也成为制造业的焦点^[30]。表1显示了天然纤维的年产量和来源^[31]。

2.1 纤维来源和纤维类型

用于生产天然纤维的植物根据其利用率分为一级和二级。主要植物是那些特别为其纤维而种植的植物，如棉花、黄麻、爪哇木棉、大麻、红麻和剑麻，而次要植物是那些纤维作为副产品生产的植物，如香蕉、椰子椰、菠萝、油棕^[32]。六种基本的可用天然纤维分类如下：韧皮纤维（亚麻、黄麻、大麻、红麻和苎麻）、叶纤维（玛瑙、阿巴卡和菠萝）、水果和种子纤维（椰子、棉花和木棉）、芯纤维（红麻、大麻和黄麻）、草和芦苇纤维（竹子、大象草、小麦、玉米和水稻）以及所有其他纤维（木材和根）。这些不同类型的光纤在图1的流程图中给出。

表1 天然纤维和来源的年产量[39]

2.2 结构与性能

除棉花外，几乎所有的天然纤维都主要由纤维素、半纤维素、木质素、蜡和几种水溶性化合物组成。给定纤维中纤维素的数量决定了其强度和刚度，而这些强度和刚度是由纤维素中的氢键和其他键提供的^[33]。从不同的生产阶段到最终的加工，许多因素都会对纤维的整体性能产生影响^[34]。天然纤维的许多性能，特别是机械性能，取决于纤维中的纤维素种类，因为机械性能取决于纤维的微纤丝角、纤维素的聚合度和纤维中的总纤维素含量^[35-39]。

表2 纤维的物理和机械性能^[39]

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