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植物纖維及其複合材料

張豐丞、張鈞瑋/臺灣大學森林環境暨資源學系



面對環境汙染問題日益嚴重,社會環保意識逐漸提高,向自然取材利用的趨勢也日漸成熟,植物纖維環境友善、輕量化、低耗能與可再生等特性備受關注,在可預見的未來定會有高度發展。然而植物纖維為非均質材料,其組成構造複雜,表面含親水性羥基,與基質之親和性需要特別處理,以提升複材性質。植物纖維用於複材,卻多半侷限在短纖維、非連續纖維,原本優異性能尚未充分發揮,只單純作為填料,若能導入編織工藝技術是為良好解方。植物纖維編織的預成形體可提供複材更多的性能選擇,但目前使用相對較少,值得後續更多研發。若能重新思考傳統纖維利用法,並導入現代複材技術觀念將其改良,提高使用優點並改善固有缺點,將可賦予植物纖維全新價值及應用。

【內文精選】

前 言

植物纖維與人類的日常生活一直是密不可分,因取得便利與可再生的特性,讓植物纖維成為人類生活不可或缺的重要材料。但隨著科技的進步與石化產業的興起,人造纖維與塑膠因生產技術高度發展與產品多樣化與耐久性佳等優點,逐漸替代植物纖維成為主流材料。但石油並非可再生資源,且該類產品廢棄後所造成的垃圾處理問題、製造過程中產生大量的汙染排放等缺點,使人們不得不重新思考材料的利用性。在環保與永續的趨勢下,天然植物纖維重新獲得重視,近年來使用植物纖維作為加固材的複合材料(Composite Materials)開始受到關注。


植物纖維與複材

複材結構可藉由製程進行設計。基質包裹纖維提供材料完整且特定的形體,並且保護纖維不受到環境的影響而劣化,也扮演纖維間傳遞應力的橋梁;而纖維則以 其優異的機械性能乘載大部分的外力,並可透過特定排列達到不同功能。植物纖維由於其密度低、強度高,因此製成FRP複材時可提升機械性能並維持較低的密度。此外,植物纖維多為植物細胞集合體,其中的空腔與間隙可為材料帶來絕佳的隔熱性能。在面對外來能量(如振動)時也得益於其多孔性,使能量快速消散。再者,植物纖維的完整製程所排放汙染與使用的化學品量較少,操作溫度較低,具有較低耗能的優勢,加工過程對機械的磨損程度也較低;再加上植物纖維天然可再生的特性,在合理管控下可達到永續生產。在現代科技的輔助下,對於材料的分解與耐候性已有較好的掌控,使其在產品使用生命週期後可分解,不會造成廢棄物累積,且分解所排放的碳也是最初生長時來自大氣中的碳源,可達到碳中和。

相較於人造纖維,植物纖維為非均質材料,其組成構造極為複雜,主要化學組成分為纖維素(Cellulose)、半纖維素(Hemicellulose)及木質素(Lignin)以及其他少量物質。纖維素為葡萄糖所構成之直鏈狀高分子,彼此以氫鍵互相結合,再互相纏繞而成微纖維(Microfibril),微纖維以特定形式排列交織,並由半纖維素與木質素包覆而形成植物細胞(圖三)。構造上,植物纖維並非均勻的圓柱狀纖維,而是具有不規則斷面與隨機缺點的中空纖維,其機械性質在組成上受到化學成分比例、微纖維度、結晶度及細胞壁的層數與厚度等因子影響。

表一整理常用於複材之植物纖維種類化學組成與物性。可發現植物纖維雖然在機械性質方面相較於幾種常見人造纖維稍差,但考慮其密度較低的特性,部分植物纖維之比強度(Specific Strength)或比彈性模數(Specific Elastic Modulus)則不遜於人造纖維。


編織植物纖維

雖然植物纖維用於複材的研究已非常豐富,卻多半侷限在短纖維、非連續纖維的應用型態,拆解了原本已天然成形的完整結構,使得植物纖維原本優異的性能無法充分發揮,只單純發揮作為填料的角色,實屬可惜。筆者認為,若能導入編織工藝技術 (Textile Technology)實為良好解方之一。編織纖維複材與一般FRP複材相同,都是將高強度高模數的纖維與延展性佳、流動性佳的高分子樹脂混合成形。編織纖維複材是將纖維預先成形,可提高加工效率、纖維的運輸方便以及增強特定性能。然而編織的型態與種類則會隨目標產品與纖維的種類有所不同,並影響複材成品性能和成型方式。目前相對應的研究中,以梭織預成形體添加進樹脂基質的研究屬最大宗。帶織植物纖維FRP的研究則有…


★本文節錄自《工業材料雜誌》414期

來源:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=47025

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