'天然纖維複合材料：什麼阻止了它們的發展？'

特斯拉賽車的車身採用了亞麻增強材料

天然纖維增強材料的出現已有一段時間了，但一些因素如與當前工藝的兼容性和地域上的可獲得性等，繼續限制了它們的廣泛應用。

天然纖維複合材料的應用可以追溯到古埃及人，他們曾用泥土和稻草做磚。

最近一些年，天然纖維作為增強材料在聚合物複合材料中的應用受到了廣泛關注，尤其是在研究領域，出版了許多有關天然纖維複合材料應用的文章。

然而，到目前為止，天然纖維複合材料的商業化應用僅限於木塑複合材料和汽車內部的門板。

而且，關於目前市場上有的天然纖維複合材料，很少有明確的統計數據，事實上，大多數的報告都在討論預期的潛在市場而不是當前市場。

世界天然纖維的消費量

根據聯合國貿易統計，Intexive計算出中國是2018年全球天然纖維生產的領先者

世界上可用作複合材料中增強材料的天然（也被稱為“蔬菜”纖維，因為它們來源於大麻和亞麻等植物）纖維的消費量在2018年總計為43億美元，2010～2018年的複合年增長率為3.3%，這種低增長率強有力地表明“市場增長沒有預期的那麼快”，並提出了一個值得關注的問題：什麼阻礙了天然纖維複合材料的發展？換句話說，在複合材料的眾多應用中採用天然纖維複合材料存在哪些障礙？為了回答這個問題，應該參考一下由學者Rogers提出的“創新理論的擴散”觀點，它解釋瞭如何在一個社會系統的參與者中傳播新的思想、技術和產品。

什麼阻止了它們的發展？

根據InTEXive，亞麻纖維是2018年底消耗量最大的天然纖維

根據Rogers的理論，有5個主要因素會影響創新的擴散：相對優勢、兼容性、複雜性、可試用性和可溝通性。

相對優勢：與其無機對應物和玻璃纖維相比，天然纖維增強材料擁有許多優勢，比如，它們具有低密度、高比特性、可生物降解、來自可再生資源以及碳足跡小，能提供良好的隔熱、隔聲性能。當採用天然纖維複合材料開發新產品時，必須要強調這些相對優勢，這就是為什麼汽車行業處於採用天然纖維複合材料的最前沿——這些優勢滿足了現代車輛提出的所有要求，特別是在考慮到電動汽車的發展以及開始實施的更嚴格的環保法規時。

兼容性：天然纖維增強材料的不足之處在於其親水性，這使其與工業中使用的現有的疏水樹脂系統不相容，而且，低耐熱性限制了它們與擁有高熔融溫度的熱塑性基體材料的相容性。此外，它們在力學、化學和物理性能方面的高變異性以及標準的缺乏，還限制了它們與某些行業（如航空航天）制定的質量標準的兼容性。不僅如此，粗糙的質地使得采用現有的紡紗生產線很難對它們進行紡紗，它們也很難轉變成編織的預成型件。由於這些原因，大多數天然纖維增強材料是以非織造布的形式而得到應用。此外，它們的表面官能團與現有樹脂體系中的官能團之間的不相容性，導致了纖維-基體界面的粘接力差以及負載轉移效率非常低。最終，導致它們的年利用率很低，而且它們的季節性還使它們與某些供應鏈（如風能和建築行業）大而持續的消費需求不相適應。總之，天然纖維複合材料與當前生產方法之間低的兼容性，是阻止其得到廣泛擴散和應用的主要原因。

複雜性：在複合材料行業中，很少有人擁有足夠的有關天然纖維增強材料的經驗和知識來自信地開展研究，而且在價值鏈的不同層次之間存在很大的差距，比如，纖維加工商經常使用技術含量較低的設備，而複合材料製造商則相對是高科技的。鑑於這一差異，有必要彌合不同價值鏈參與者之間的差距，並指導農民、纖維加工商和織物製造商瞭解天然纖維的這種新的最終用途，並向複合材料製造商介紹這種新型的增強材料及其與合成纖維的區別。

可試用性：天然纖維增強材料主要來源於生長在發展中國家（如中國、孟加拉國、印度和斯里蘭卡）的植物，而複合材料製造商主要分佈在美國、西歐和日本。這種地理屏障使得複合材料製造商很難方便地獲得天然纖維增強材料用於研究。此外，一些國家禁止種植大麻，這也極大地限制了它的可試用性。亞麻則是個例外，因為它主要生長在法國和比利時，這是許多複合材料製造商所在的地區。事實上，能夠在這些地區方便、快速地獲得亞麻，已顯著增加了它的可試用性，並使它成為應用最廣泛的天然纖維增強材料。

可溝通性：該術語指的是更容易地讓用戶看到使用天然纖維複合材料的好處。使用天然纖維增強材料最重要的好處是與環境可持續性緊密相關，包括減少碳足跡、生物降解性和可再生性。雖然這些好處很重要，卻不易被潛在用戶識別和欣賞，但還有其他可以輕易察覺的直接好處，如輕量化、高比特性、良好的隔熱和減震性能。正是因為天然纖維複合材料最重要的好處不能被用戶輕易看到，所以極大地限制了它們的傳播和採用。

克服障礙

有幾個項目旨在提高天然纖維增強材料的形態相容性，以提供一種類似玻璃纖維和碳纖維的現成的增強材料。

這些項目包括將天然纖維複合材料用於低捻粗紗、單向帶、機織物、鋪絲布和預浸料，其中大部分涉及Bcomp Ltd.（瑞士Fribourg）和Composites Evolution（英國Chesterfield）提供的亞麻纖維。

改善樹脂相容性的另一項嘗試是巴斯夫（美國北卡羅來納州夏洛特）開發的Acrodur水性丙烯酸樹脂。

一個由FiMaLin協會（法國Gruchet-le-Valasse）和AFNOR認證集團（法國Saint-Denis）實施的名為“QUALIFLAX”的項目，專門為控制和確保天然纖維增強材料擁有一致的技術性能、可靠的供應和定價而開展研究。

此外，像Fibragen（西班牙Valencia）這樣的項目旨在開發一種轉基因亞麻，它具有改進的和一致的性能。

有幾個機構通過其EcoComp會議，正在引領複合材料行業提高對天然纖維的認識，如歐洲亞麻和大麻聯合會（簡稱“CELC”，法國巴黎）以及NetComposites（英國Chesterfield）。

然而，仍有必要去探索擁有高力學性能但比亞麻和大麻擁有更大的年供應量和更低價格的新型天然纖維。

Sunstrand LLC（美國肯塔基州Louisville）正在利用竹纖維以及inTEXive（埃及開羅）正在利用椰棗棕中的肋骨纖維在此領域開展有前景的研究。

綜上所述，天然纖維憑藉其獨特的性能而正在成為複合材料的增強材料中強大的可持續候選材料。

然而，它們仍處於被採納的早期階段，並面臨著諸如兼容性和可用性等一些障礙，從而阻止了它們進入大批量應用的市場。

因此，需要清楚地瞭解這些障礙，並盡努力克服這些障礙。

研究人員、業餘愛好者、企業家和技術狂熱者等有遠見的人正在引領克服這些障礙的道路，而且汽車和體育用品行業已經顯示出採用的積極跡象。

未來是綠色的，隨著工業界重新將興趣放到生物基材料上，天然纖維將迎來廣泛的應用。

原創：MOHAMAD MIDANI