天然纤维复合材料：是什么阻碍了它们？

天然纤维复合材料 (NFC) 的应用可以追溯到古埃及人，他们曾经用黏土和稻草制作砖块。最近，在聚合物复合材料中使用天然纤维作为增强材料受到了广泛关注，尤其是在研究界，并且发表了许多关于 NFC 应用的评论文章。然而，迄今为止，NFC 的商业用途仅限于木塑复合材料和汽车内门板。此外，目前几乎没有关于 NFC 市场的明确统计数据，事实上，我遇到的大多数报告都讨论了设想的潜在市场，而不是当前市场。

世界天然纤维消费量

2018 年，可用作复合材料增强材料的天然（也称为“植物”纤维，因为它们来自大麻和亚麻等植物）纤维的全球消费总额为 43 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 2010-2018 年为 3.3%。这种低增长率是市场增长速度不如预期的有力指标，并引发了一个合理的担忧：是什么阻碍了 NFC？换句话说，在复合材料的众多应用中采用 NFC 的障碍是什么？要回答这个问题，应该参考学者 EM Rogers 提出的创新理论的传播，它解释了新思想、技术和产品如何在社会系统的参与者之间传播。

根据联合国 COMTRADE 统计数据，InTEXive 计算得出，中国在 2018 年引领全球天然纤维生产。

是什么阻碍了他们？

根据罗杰斯的理论，影响创新扩散的主要因素有五个：相对优势、兼容性、复杂性、可试用性和可传播性。

相对优势。与无机对应物玻璃纤维相比，天然纤维增强材料具有许多优点。例如，它们具有低密度、高比特性、可生物降解、源自可再生资源、碳足迹小并提供良好的隔热和隔音效果。从 NFC 开发新产品时必须强调这些相对优势，这解释了为什么汽车行业处于 NFC 采用的最前沿——这些都是现代汽车的要求，特别是考虑到电动汽车的增长和更严格的要求环境法规。

兼容性. 天然纤维增强材料的不足之处在于它们的亲水性使其与工业中使用的现有疏水树脂系统不相容。此外，它们的低耐热性限制了它们与具有高熔化温度的热塑性基体的相容性。此外，它们的机械、化学和物理特性的高度可变性以及缺乏标准化限制了它们与某些行业（如航空航天）制定的质量标准的兼容性。此外，它们的粗糙质地使它们难以使用现有的纺纱线进行纺纱；它们也很难转化为编织预制件。因此，大多数天然纤维增强材料以非织造布形式使用。而且，它们的表面官能团与现有树脂体系中的官能团不相容，导致纤维-基体界面粘附性差和负载转移效率非常低。最后，它们的低年度可用性以及它们的季节性使得它们与某些供应链的大量且持续的消耗不相容，例如风能和建筑行业。总的来说，我认为 NFC 与当前制造方法的低兼容性是阻碍 NFC 广泛传播和采用的主要原因。如风能和建筑行业。总的来说，我认为 NFC 与当前制造方法的低兼容性是阻碍 NFC 广泛传播和采用的主要原因。如风能和建筑行业。总的来说，我认为 NFC 与当前制造方法的低兼容性是阻碍 NFC 广泛传播和采用的主要原因。

复杂性。在复合材料行业中，很少有人拥有足够的天然纤维增强材料经验和知识，可以自信地与他们合作；此外，价值链的不同层次之间存在很大差距。例如，纤维加工商通常使用技术含量相对较低的设备进行操作，而复合材料制造商的技术含量相对较高。鉴于这种差异，迫切需要弥合不同价值链参与者之间的这种差距，并就天然纤维的这种新的最终用途对农民、纤维加工商和织物制造商进行教育，并对复合材料制造商进行这种新型的增强材料以及它与合成纤维的区别

可试用性。天然纤维增强材料大多来自中国、孟加拉国、印度和斯里兰卡等发展中国家种植的植物，而复合材料制造商大多位于美国、西欧和日本。这种地理障碍使复合材料制造商难以轻松获得天然纤维增强材料进行研究。此外，某些国家对种植大麻的广泛禁令极大地限制了它的可试用性。亚麻是一个例外，因为它主要生长在许多复合材料制造商所在的法国和比利时。事实上，这些地区轻松快速地获取亚麻极大地提高了其可试用性，并使其成为使用最广泛的天然纤维增强材料。

可传播性。该术语指的是用户看到使用 NFC 的好处的容易程度。使用天然纤维增强材料的最重要好处在于环境可持续性。这些好处包括减少碳足迹、生物降解性和可再生性。虽然这些好处很重要，但它们不容易被潜在用户识别和欣赏。然而，还有其他可以很容易察觉的直接好处，例如重量轻、特定性能高、良好的隔热和减振。然而，NFC 最重要的好处并不容易被用户看到，这一事实极大地限制了它们的传播和采用。

根据 InTEXive 的数据，亚麻纤维是 2018 年底消费量最大的天然纤维。

克服障碍

已经有几个项目旨在提高天然纤维增强材料的形状相容性，目的是提供一种类似于玻璃纤维和碳纤维的现成增强材料。项目包括将 NFC 用于低捻粗纱、单向带、机织织物、展开丝束织物和预浸料，其中大部分涉及由Bcomp Ltd.（瑞士弗里堡）和Composites Evolution（英国切斯特菲尔德）提供的亚麻纤维. 另一种提高树脂相容性的尝试是由巴斯夫（夏洛特，北卡罗来纳州，美国）开发的水性丙烯酸树脂 Acrodur 。

此外，由 FiMaLin 协会（法国 Gruchet-le-Valasse）和 AFNOR 认证小组（法国圣但尼）开发了一个名为 QUALIFLAX 的项目，专门用于控制和确保一致的技术性能、可靠的供应和定价纤维增强材料。此外，像 Fibragen  （西班牙巴伦西亚）这样的项目旨在开发一种具有改进和一致特性的基因选择亚麻。

此外，有几家机构在提高复合材料行业对天然纤维的认识方面处于领先地位，例如欧洲亚麻和大麻联合会（CELC；法国巴黎）和 NetComposites（英国切斯特菲尔德），通过其 EcoComp 会议。

然而，仍然需要探索具有高机械性能的新型天然纤维，但比亚麻或大麻具有更高的年供应量和更低的价格。Sunstrand LLC（美国肯塔基州路易斯维尔）使用竹纤维和 inTEXive （埃及开罗）使用椰枣中脉纤维在这一领域开展了有前景的工作。

总之，天然纤维由于其独特的性能，正在成为增强复合材料的强有力的可持续候选者。但是，它们仍处于早期采用阶段，并且面临着兼容性和可用性等一些障碍，这些障碍阻碍了它们扩散到大众市场。因此，有必要清楚地了解这些障碍，并将我们的努力集中在克服它们上。研究人员、业余爱好者、企业家和技术爱好者等有远见的人正在引领克服这些障碍，并且在汽车和体育用品行业有积极的采用迹象。我坚信未来是绿色的，随着行业对生物基材料重新产生兴趣，天然纤维将占上风。