利兹大学开发全纤维素复合材料，不使用树脂和胶黏剂

随着汽车行业持续推进轻量化，亚麻、工业大麻以及再生纺织纤维等天然纤维材料已经被应用于汽车内饰、车门板和部分非结构件。

不过，传统**天然纤维复合材料（Natural Fibre Composites，NFC）**通常仍需要使用合成聚合物作为基体，将天然纤维结合在一起。这意味着即使增强材料来自植物，整个复合材料体系仍然存在不同材料之间的分离和回收问题。

英国利兹大学（University of Leeds）的研究团队正在尝试改变这种材料组合方式。

该团队开发并申请专利的全纤维素复合材料（all-cellulose composite）完全以天然纤维素为基础，不使用环氧树脂、其他合成树脂或胶黏剂。更特别的是，纤维素在这一材料中同时承担增强纤维和基体材料的作用。

研究团队已经使用亚麻、工业大麻、棉纤维、再生纺织品等原料进行验证，农业废弃物也被认为具有作为原料来源的潜力。

同一种纤维素同时成为增强体和基体

传统天然纤维复合材料通常由两部分组成：天然纤维负责增强，聚合物基体负责将纤维结合并形成整体结构。

利兹大学开发的技术路线有所不同。

研究负责人Mike Ries教授强调，这种材料并非只是在天然材料比例上接近100%，而是材料本身完全由天然纤维素构成，其中没有胶黏剂、环氧树脂或其他合成聚合物。

这一技术概念源自该校此前对**单一聚合物复合材料（single-polymer composites）**的研究。

对于部分合成聚合物纤维，可以通过部分熔融纤维表面形成基体，同时保留内部纤维结构作为增强体。

但纤维素无法采用相同的熔融方式处理。

因此，研究人员采用了一种**可回收离子液体溶剂（recyclable ionic liquid solvent）**来实现类似效果。

选择性溶解纤维表层形成纤维素基体

整个制造过程并不是将纤维完全溶解。

离子液体溶剂首先对纤维素纤维的外层进行选择性溶解，保留内部未溶解的纤维结构。

随后在压力作用下，已经溶解的纤维素进入剩余纤维之间的空间。之后使用水去除溶剂，使溶解状态下的纤维素重新生成并固化。

最终形成的材料中，未被溶解的纤维素承担增强作用，而重新生成的纤维素则形成基体。

因此，与“天然纤维+合成树脂”的传统结构不同，这种复合材料的增强体和基体具有相同的纤维素化学基础。

根据研究团队提供的信息，这一制造过程可以在相对较低的温度下完成，并且只使用一种能够回收并重复利用的溶剂。

从材料设计阶段解决回收问题

传统天然纤维复合材料在生命周期结束后仍可能面临纤维和聚合物基体的分离问题。

Mike Ries指出，如果天然纤维与热固性合成聚合物结合，材料回收过程中可能需要采用热处理等方式处理其中一种组分，这会破坏天然增强材料，也削弱使用植物来源材料所带来的部分环境意义。

全纤维素复合材料采用的是另一种思路。

由于材料中的各个组成部分都是纤维素，因此可以重新使用原来的加工溶剂将材料溶解，再进入后续制造过程。

研究人员已经进行了完整回收循环的实验验证。

他们首先将已经制造完成的复合材料板重新处理成纤维素纤维，随后将这些纤维纺成纱线、重新织造成织物，再制造成新的复合材料部件。

研究团队将其称为一种真正意义上的循环材料（circular material），并表示这一过程可以重复进行。

可使用亚麻、工业大麻和再生纺织品

除了材料回收方式，这项技术对纤维原料也具有一定的适应范围。

目前研究人员已经成功使用：

• 亚麻纤维
• 工业大麻纤维
• 棉纤维
• 再生牛仔布
• 纺织废弃物

此外，农业生产产生的剩余生物质也被认为可能成为纤维素原料来源。

这意味着其原料并不局限于专门生产的原生天然纤维，也可以考虑利用部分现有纺织废料和农业剩余物中的纤维素资源。

不过，根据目前提供的信息，农业废弃物仍属于潜在原料来源，并没有给出其规模化应用数据，因此现阶段不宜将其描述为已经成熟的工业原料路线。

可压缩模塑复杂三维汽车部件

在部件制造方面，这种全纤维素复合材料可以通过**压缩模塑（compression moulding）**形成复杂的三维几何结构。

材料在成形之后还能够保留原有织物的纹理、颜色以及装饰图案。

例如，刺绣织物、彩色纺织材料以及经过激光切割处理的表面，在固结后仍可以得到保留。

这一特点使材料不仅可以承担一定的机械功能，同时也为汽车内饰等对外观和表面设计有要求的部件提供了更多选择。

拉伸强度接近100 MPa

根据研究团队公布的数据，这种全纤维素复合材料的模量为6-10 GPa，拉伸强度接近100 MPa。

研究人员认为，这一性能范围能够满足多种汽车**半结构件（semi-structural components）**的需求。

材料同时表现出良好的剥离强度、冲击能量吸收能力以及热稳定性。

根据原始资料，其在200-250°C温度范围内能够保持机械性能。

研究团队还可以通过调整织物结构和加工时间，改变最终材料性能，使其适应不同制造商的具体需求。

不过，目前资料没有提供不同织物结构、加工时间与最终力学性能之间的具体对应数据，因此还不能进一步量化这种可调节范围。

目前处于TRL 4阶段

这项全纤维素复合材料技术目前已经达到技术成熟度等级4（Technology Readiness Level 4，TRL 4）。

研究团队已经为多家汽车制造商生产了原型部件。

其中一个公开展示的案例，是研究团队与英国**国家复合材料中心（National Composites Centre，NCC）**合作，为Waste2Race Le Mans项目制造的一款方向盘。

目前该技术已经在欧洲获得专利保护，并在日本和美国获得相关专利保护。

但从技术成熟度来看，该材料距离大规模工业化生产仍有进一步放大的工作需要完成。因此，目前更准确的定位仍然是一项已经完成实验室级验证并进入原型部件开发阶段的全纤维素复合材料技术，而不是已经实现汽车行业规模化应用的成熟材料。

对于天然纤维复合材料而言，这项研究值得关注的地方在于，它并没有单纯提高天然纤维在复合材料中的比例，而是尝试取消传统的合成聚合物基体，让纤维素同时承担增强体和基体的功能，从材料体系本身重新考虑制造、使用和回收之间的关系。