徐博闻

摘要：随着社会对于环保要求的日益提高，人工合成纤维的生产过程对环境造成的影响逐渐凸显出来，以天然纤维增强聚合物为代表的天然纤维复合材料正在吸引越来越多的关注。本文将结合全球最新研究进展，介绍天然纤维复合材料在建筑工程领域的应用情况并讨论其力学性能与工作环境之间的互相影响。

Interaction between Mechanical Properties of Natural Fiber Composites in Building Engineering with the Environment

1.引言

近年来具有轻质、高强度、耐腐蚀特性的纤维增强聚合物（FRP）在建筑工程中得到了越来越广泛的应用。然而，在环保要求日益提高的今天，其应用的碳纤维、玻璃纤维等人工合成纤维被由于生产过程耗能巨大且无法循环利用已成为威胁环境的一个因素[1]。科学家发现由天然植物纤维与聚合物基质组合而成的天然纤维复合材料（NFRP）有可能作為新型环保材料应用于工程中。目前已有研究表明红麻、剑麻、香蕉、黄麻、佛罗里达麻等天然纤维因其绿色环保和来源广泛等优势有望成为汽车工业和建筑工业等领域的增强纤维[2]。

植物纤维由于强度和纤维长度方面的优势被认为建筑工程中具有最大的使用潜力。植物纤维密度低，可降解且无毒，可重复利用且造型丰富的特性使其能够用作聚合物复合材料中的填料或增强物质[3]。虽然天然纤维具有上述优势，但其来源于植物的这一特点也造成了热稳定性低、真菌敏感性、亲水性可能导致尺寸变化等缺陷，尤其是其亲水性可造成由于环境湿度变化的力学性能改变[4]。因此目前的研究主要关注如何通过预处理和处理方法改善天然纤维的性能。

天然纤维复合材料应用于受力构件仍处于起步阶段，目前关注的性能主要包括静态和动态性能，长期蠕变性能，吸水或紫外线辐射引起的力学性能变化以及结构工程工作状态的其他基本参数。

本文旨在对天然纤维在建筑工程领域应用过程中的力学性能进行综合评价并讨论其与环境的相互作用，并对未来的研究和应用方向进行展望。

2.纤维材料的选择与处理

植物中提取的天然纤维按其来源可分为韧皮纤维、茎叶纤维和种子纤维。韧皮纤维主要采自麻类植物如亚麻，大麻等，韧皮纤维较其他纤维更长因而更适宜在长尺寸、拉应力构件中应用。叶片纤维是采自剑麻、香蕉等木本植物，其纤维比韧皮纤维更粗壮，因此在受压时能发挥更好的性能。种子纤维是棉花、椰壳、木棉等植物中。种子纤维由于更细更短所以只能满足要求较低的应用，如室内装饰填料。由上述对比可以发现，最具潜力应用于建筑工程中的是韧皮纤维。由于果胶和半纤维素在植物中伴随着纤维素共同存在，所以在使用前必须进行预处理以去除可能造成性能不稳定的物质。

2.1 预处理过程

预处理是将刚收获的植物变成适用于复合材料中的纤维过程中必不可少的步骤。以亚麻为例，第一步是沤麻以去除果胶并且破坏纤维和其他细胞的通路。之后烘干还原后水解、热解以去除其中的半纤维素和木质素。预处理过程对纤维力学性能影响巨大。一旦纤维上存在失效点将会引起纤维的抗拉强度急剧下降。只有通过预处理重组内部结构并经检验达到基本强度标准后，才可以通过进一步的处理以进一步增强其稳定性和力学性能。

2.2 提高性能的处理方法

以往的研究认为天然纤维复合材料是一种环境友好且低成本的材料，必须通过特殊处理才能满足建筑工程的需求。为了选择能够抵抗恶劣环境的基质，保护纤维表面免受机械磨损并将负荷转移到纤维上，可选用热塑性和热固性聚合物保护天然纤维并提高抗压能力[3]。此外，一些天然纤维独有的特性也会对复合材料的力学性能造成影响，如纤维含量、纤维取向、纤维体积分数、纤维长度等[4]。目前已证明经过处理的天然纤维的机械性能课提高至其原始值的三倍。处理手段按类型分包括物理处理如电晕、等离子体、紫外线（UV），热处理如电子辐射和纤维打浆和化学处理如化学偶联剂的使用[1]。

3.基质材料的选择

目前天然纤维复合材料的可用基质材料有热固性材料如环氧树脂、聚酯和乙烯基酯等，热塑性材料如聚乙烯、聚苯乙烯组成，尼龙等，以及天然可降解基质如多糖、淀粉、蛋白质等。其中热塑性材料消耗石油量，天然可降解基质的稳定性和使用寿命不稳定，因此，热固性聚合物更常用作建筑材料中的基质[3]。

4.施工方法

在施工原理上，天然纤维复合材料可以与玻璃纤维相同的施工方法。但也有例外情况，例如使用连续纤维时采用的拉挤法、纤维切碎法等。与基质的结合技术主要采用真空注射法、塑模法、真空热压法和夹层法。需要注意的一点是热塑性基质对高温敏感，因此在施工时要注意避免采用高温方法。

5.天然纤维复合材料在国内外的应用现状

目前在许多国家使用纤维复合材料作为建筑材料已逐渐成为一种趋势。自1920年，美国制造商利用甘蔗加工残渣制造了第一块甘蔗渣合成板后，竹子、木材纤维、小麦和黑麦草秸秆纤维以及向日葵的外壳和根茎纷纷被制成建筑用板材[2]。农用纤维中的谷物秸秆由于二氧化硅含量高而具有天然的防火性能。此外，农用秸秆低密度使它们具有弹性，所以建造成房屋后具有较好的抗震性能。近年来天然纤维复合材料在建筑行业逐渐开始广泛推广，如用于门窗框架，墙体保温和地板层压。2016年，第一个全天然纤维桥梁在荷兰得到实现，证明了生物复合材料在结构工程中的应用潜力。

6.天然纤维复合材料的研究前景展望

人工合成纤维需要大型生产设别，相比之下，天然纤维可以由人力和传统技术来进行生产。在那些自然纤维生长迅速、成本低廉的东南亚国家，可以充分利用本地材料，避免以外币高价进口玻璃纤维等合成材料。未来这一方面的研究，应在着重关注通过优化设计方法最大限度地利用天然纤维的性能。构建系统设计和检测理论以满足建筑工程的要求。其中有以下具体问题需要关注：

1.天然纤维的静力和动力性能，

2.基质力学的研究，如抗压能力和应力比。

3.纤维与基体之间的界面优化：提高强度，应力模量，变形协调能力等关键参数。

4.建立基于生物复合材料的优化设计方法，充分利用材料强度。

5.创建天然纤维复合材料在结构工程中应用的材料评估标准。

通过对以上几方面研究的完善，生物纤维复合材料这一环保材料的巨大潜力可以得到挖掘，并且其相关标准可以使该材料在建筑工程广泛推广以解决目前建筑行业在环保方面的压力。

参考文献

[1]P. K. Mallick，Fiber-Reinforced Composites：Materials，Manufacturing，and Design，CRC Press，2007

[2]尹维，田煜，陶大帅，刘哲瑜，韩志武，张俊秋.天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展[J].科学通报，2015，60（31）：2949-2962.

[3]]赵丽莎. 生物纤维复合材料力学性能和复合材料生命周期评价的研究[D].江西农业大学，2011.

[4]M. Kabir，H. Wang，K. Lau，F. Cardona，Chemical treatments on plant-based natural fibre reinforced polymer composites：an overview，Compos. B Eng. 43（2012）2883–2892.