每年，成千上万的不可回收/不可降解的复合材料零件最终进入垃圾填埋场，包括像风力涡轮机叶片等巨大零件，这给复合材料制造商带来了更大的压力，他们要重新评估产品的可持续性。这就是怎么回事许多行业参与者对天然纤维复合材料(nfc)感兴趣的原因；然而，对这个复合材料行业的新人的普遍不熟悉阻碍了它的广泛使用。本文的目的是弥补这一差距，并为NFC的工业利用提供实用指南。

  天然纤维复合材料可以定义为一种复合材料，其中增强相由天然纤维组成，而基体相是生物基或合成聚合物。但为什么行业要考虑天然纤维增强材料呢？

  可持续——天然纤维取自可再生资源，二氧化碳中性，与玻璃纤维部件相比，复合材料部件的二氧化碳排放量可减少60-80%。除了生物可降解外，在它们的寿命结束时是可回收的。

  重量轻且安全——天然纤维的密度几乎是玻璃纤维的一半，处理起来很安全（不需要任何 PPE），工艺流程中不会对机器零件产生磨耗。

  高性能——天然纤维具有相当于玻璃纤维的特定拉伸性能，并且它们比玻璃纤维和碳纤维具有更高的隔热和隔音性能。

  当我们查看市场报告时，我们大家常常会看到报告为生物复合材料的市场规模。但必须要格外注意的是，生物复合材料是一个涵盖木塑复合材料 (WPC) 和 NFC 的术语。2018年欧洲生物复合材料市场总规模为47万吨，NFC市场占有率仅为9%（4.2万吨），大多数都用在汽车压缩成型应用，如图1所示（nova-Institut 2019）。

  汽车行业是 NFC 的一个主要市场，也是最古老的市场之一，其历史可以追溯到 1940 年代亨利福特的纤维汽车，如图 2 所示。汽车行业通过 NFC 商业化制造的主要部件是车门内饰板、行李箱衬里、后包裹架、顶篷和仪表板。但最近，保时捷和迈凯轮等公司与 Bcomp合作，一直在挑战极限，并开始在外部车身面板和结构部件（如座椅框架）中使用 NFC。

  此外，我们正真看到研究人员、工程师、建筑师和设计师正在探索 NFC 的新视野。例如，最近荷兰的整个建筑立面都是由和生物基环氧树脂制成的。此外，2021 年夏天，德国的 NFC 建造了两个复合展馆。第一个叫做 Livmat，它是由亚麻和生物基环氧树脂使用无模长丝缠绕工艺制成的，第二个是 Biomat 复合材料亭，它由亚麻和拉挤棒制成。此外，丹麦公司 Projektkin 的一个有趣应用正在制作硬壳旅行包，可以从他们的网上商店以 450 美元的价格购买。另一家名为 Jiva Materials 的英国公司正试图将 NFC 印刷电路板的可持续基材商业化。

  最值得注意的是，一家名为“ Greenboats ”的德国公司，以其标志性的亚麻27天帆船闻名，于2021年夏天在荷兰安装了首个NFC短舱，旨在研究这种新材料在风力行业的性能。

  事实上，尽管天然纤维复合材料具有非常出色的特性，但仍处于早期采用阶段。NFC 面临着四大挑战，了解这些挑战对于确定如何克服它们并向前发展非常重要。

  缺乏相容性——天然纤维是亲水性的（它们喜欢水），并且它们与大多数疏水性合成聚合物基质材料并不完全相容。此外，它们的耐热性低，不能加热到超过 200 摄氏度，因此它们与热塑性聚合物的使用将仅限于低熔点聚合物，例如聚烯烃，包括PP和PE。此外，它们不能很好地与基质结合，因为它们的表面官能团不能与合成聚合物的官能团反应。此外，大多数天然纤维增强体具有粗大的性质，因此不容易用棉花的常规纺纱和织造方法加工成纺织形式。

  复杂性——大多数天然纤维增强材料生长在发展中国家，对复合材料了解不多，而大多数复合材料制造商在发达国家，对天然纤维了解不多。这使得人们很难理解如何在新的应用中使用这一些材料。

  可试验性——大多数复合材料制造商位于西欧、美国和日本，这些国家中的大多数不种植天然纤维，但法国和比利时的亚麻除外。因此，这些地区的复合材料生产商很难获得用于研究和开发的各种可能的天然纤维增强材料。

  可交流性——这与传播这种材料的好处的难易程度有关。使用 NFC 最重要的好处是间接的环境效益，包括可生物降解性或减少碳足迹。不幸的是，在某些情况下，这些价值主张因素可能没办法说服更关心价格、供应或性能的客户。

  一般来说，天然纤维分为来自植物的植物纤维和来自动物和昆虫的动物纤维。然而，我们会发现，大多数天然纤维增强材料都是植物纤维，具体来说是韧皮纤维、叶纤维和水果纤维，如图3所示。

  韧皮纤维的例子包括黄麻，它是产量最大的植物纤维，仅次于主要在孟加拉国和印度种植的棉花。此外，亚麻被认为是一种韧皮纤维，主要生长在法国，考古证据证实亚麻是人类历史上第一种使用的纤维。另一种韧皮纤维是，它属于家族，与的这种关联导致在全世界内广泛禁止种植它，但最近人们对它的兴趣慢慢的变大，尤其是在美国。其他不太流行的韧皮纤维有苎麻和红麻。

  此外，我们正真看到研究人员、工程师、建筑师和设计师正在探索 NFC 的新视野。例如，最近在荷兰façade的整个建筑是由和生物基环氧树脂制成的。

  叶纤维的例子包括剑麻，它是从仙人掌的叶子中提取的纤维，属于原产于南美洲的龙舌兰科，但它也在肯尼亚和非洲别的地方种植。另一种令人惊奇的叶子纤维是蕉麻，也被称为马尼拉麻，原产于菲律宾，从一种名为 Musa textilis 树的叶子中提取，这种树与香蕉是近亲。别的类型的叶纤维包括菠萝和香蕉纤维，近年来它们越来越受欢迎。

  水果纤维的主要类型是椰壳，它是从椰子果实周围的外壳中获得的，主要产自印度。另一种不太受欢迎的水果纤维是从油棕果实周围的果皮中提取的纤维，但到目前为止还没有实现任何商业价值。

  韧皮纤维天生就是用来加强植物茎的，所以它们往往更细更硬。而叶片纤维本质上是植物叶片内部的管道，其作用是输送水分和营养物质，因此叶片纤维往往较粗、中空，破坏应变较高，韧性较高，如表1所示。

  为了使用天然纤维增强材料，它们必须转换成与人造增强材料类似的不同结构的纺织预制体。最受欢迎的结构是无纺布预制件，它通常与50%重量的聚丙烯混合，这样就可以直接压缩成型制造汽车零部件。非织造布的性能最差，因为纤维取向不均匀，难以实现高纤维填充，因此导致高纤维体积分数。然而，非织造增强材料具备成本效益，可通过硬纤维，否则很难纺织。此外，它们还提供了高达30%空隙率的多孔结构，这对于实现汽车行业所需的隔热和减振水平很重要。美国最重要的汽车一级供应商是FlexForm，欧洲最重要的供应商是Ecotechnilin。

  除了视觉上吸引人的图案外，其他结构还包括具有更高性能和双轴增强的不同面密度的编织斜纹预成型件。天然纤维预成型件还包括宽度为 40 厘米的单向带，该带直接由棉条而不是纱线制成，没有扭曲和交织，因此提供了最大的包装和最大的性能。最近，一些公司甚至与 Bcomp 合作提供单向预浸料天然纤维，包括 Echotechnilin（法国）、BPreg（土耳其）和 Composites Evolution（英国），与Bcomp合作，Bcomp也提供了最高的性能，同时由于预浸处理仍拥有非常良好的稳定性。

  虽然这些预制件中的大多数能够正常的使用商业树脂进行浸渍，但有些公司正在为天然纤维制造特殊配方。通常，聚合物基体材料分为热塑性塑料和热固性塑料。由于生产周期短且可回收利用，热塑性塑料对汽车行业具有更高的兴趣。最常用的热塑性塑料是纤维、粉末或片材形式的PP。然而，另一种重要的热塑性塑料是 PLA，因为它是生物基，可以产生完全可生物降解的复合材料，但它非常昂贵。

  对于热固性树脂，能够正常的使用常见的环氧树脂和聚酯树脂，但人们对生物基环氧树脂的兴趣慢慢的变大，包括含有植物油（如大豆、亚麻籽和向日葵）的配方。最受欢迎的生物基环氧树脂供应商是 Sicomin GreenPoxy，它提供的配方中生物基含量高达 50%。但使用具有 35% 生物基含量的 greenpoxy 33 能够得到最佳性能。

  NFC 能够正常的使用大多数复合材料制造技术制造，但必须优化加工参数。最重要的技术是压缩成型，尤其是用于汽车的天然纤维-PP 复合材料，因为这是迄今为止最适合大规模生产的技术。另一种常见的技术是真空辅助树脂传递模塑 (VARTM)，它更适合小批量生产的大型结构，包括海洋应用。此外，树脂传递模塑 (RTM) 是一种常用技术，适用于需要两面都具有高表面光洁度的零件，尤其是对于大批量生产的较小零件。

  但在开始制造过程之前，应考虑几点以实现良好的纤维基体界面结合。首先，纤维必须是干燥的，因为在正常条件下植物纤维的水分含量可能高达8%，这可能会引起复合材料性能至少降低20%。此外，若使用的纤维预成型件最初不是为复合材料应用而开发的，它可能包含纺丝和加工润滑剂，这可能会在纤维和基体之间形成屏障层。如果是这样的一种情况，那么在使用前必须清洗或擦洗预制件，然后彻底干燥。此外，为了达到最大性能，相容剂或偶联剂可用于增强界面结合。聚丙烯基质最常用的相容剂是马来酸酐，用于热固性基质硅烷偶联剂。

  如今，人们对农业残余物作为纤维提取原料的兴趣慢慢的变大，以便以可与人造纤维竞争的可承受价格实现更多天然纤维的供应。最近的一项创新是 PalmFil 纤维，它是从枣椰树的叶和果梗中提取的，枣椰树是中东和北非的主要农作物。据说这些纤维具有与其他高性能植物纤维相媲美的特性。

  天然纤维正在成为人造增强材料的可持续替代品。该纤维具有极好的环境效益，其性能可与玻璃纤维复合材料相当。虽然有一些障碍阻碍它们向大众市场扩散，但有一些公司和研究人员正在挑战极限，试图克服这些障碍。现成的钢筋是可用的，提供类似的性能，人造预制。目前正在为nfc专门开发树脂配方。新的天然纤维正在被开发用于复合材料的应用。未来是绿色的，随着行业对生物基材料的兴趣，天然纤维将占上风。