復合材料的廣泛使用帶來了廢物處置和環境問題。隨著人們環境保護意識的提高，人們開始使用環保、可持續和可生物降解的材料。幾十年來，天然纖維增強復合材料(NFRC)和可生物降解樹脂廣泛用于汽車、建筑和其他應用。壓力容器、傳動軸、儲罐、管道等軸對稱部件都是通過纖維纏繞工藝制造的。纖維纏繞工藝一般用于合成如玻璃、碳、芳綸纖維。在纖維纏繞中使用天然纖維具有挑戰性，因為他們的纖維不連續、親水性強、與基質的結合力差、位置分散、與合成纖維相比拉伸強度較低。
本文旨在探索天然纖維在長絲纏繞工藝中的潛力。植物纖維中高纖維素含量和低微纖維角(MFA)是天然纖維強度高的原因。表面改性技術提高了纖維和基質之間的粘合性，從而提高了復合材料的拉伸強度。一些研究人員使用劍麻、亞麻和黃麻纖維進行長絲纏繞工藝。
2017年至2024年期間，全球復合壓力容器合成材料市場預計將以23%的復合年增長率(CAGR)增長。需要開發適合長絲纏繞的由天然和合成纖維制成的新型混合復合材料。
現有纖維分為合成纖維(例如玻璃、碳、芳綸等)和天然纖維(如黃麻、亞麻、劍麻、蕉麻、洋麻等)，基質可以是聚合物(稱為聚合物基質復合材料PMC)、金屬(稱為MMC)和陶瓷(稱為CMS)。大量使用合成纖維和基質產生了廢物處理問題，因為合成纖維和基質需要數年時間才能分解。與之相反，天然纖維易于處理，可充分降解。天然纖維增強復合材料(NFRC)和可生物降解樹脂基質材料包括小麥、淀粉、玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、可生物降解聚酯等。合成纖維的制造需要大量的能源，并且在制造過程中會產生污染。根據先進復合材料制造創新研究所(IACMI-復合材料研究所，美國田納西州諾克斯維爾)的說法，在碳纖維制造中，熱氧化過程非常耗能耗時。
與之相比，NFRC重量輕、經濟、可生物降解，廣泛應用于汽車工業的門板、車身面板、座椅靠背、內飾等。且適用于手工鋪層、壓縮成型、注塑成型、真空輔助樹脂傳遞模塑、拉擠成型、纖維纏繞等。盡管天然纖維有這么多好處，但由于纖維纏繞技術制造存在挑戰，它們并未廣泛應用于壓力容器、管道制造和氣瓶。天然纖維的長度較短，而纖維纏繞需要連續纖維，而且纖維應具有足夠的拉伸強度，因為在纖維纏繞過程中會拉動纖維運動。堿處理、乙酸、芐基異氰酸酯、乙炔硅烷、等離子、偶聯劑、臭氧處理等表面改性技術可提高纖維與基質之間的粘附性，從而提高復合材料的拉伸強度。全球復合材料壓力容器合成材料消費按應用劃分通常占 5% ，2016 年全球復合材料壓力容器市場規模為 4.34 億美元，到 2023 年將達到 18.71 億美元，預計 2017 年至 2024 年的復合年增長率 (CAGR) 為 23% 。
天然纖維是從植物、動物和礦物中提取的。動物纖維由蛋白質，植物纖維由纖維素作為主要組成元素。水分、纖維排列、纖維處理、纖維分布等因素會影響天然纖維增強復合材料的力學性能。1939 年天然纖維被首次使用制造復合材料部件，亞麻與酚醛基體混合用于制造機身蒙皮。1942 年，亨利·福特使用大麻制造原型車。天然纖維作為復合材料增強材料的使用量一直在增加（2018 年總額為 4030 億美元），2010 年至 2018 年 的復合年增長率 (CAGR) 為 3.3% 。
纖維可以是預浸漬的（用于濕法纖維工藝），也可以是預浸帶或預浸絲（用于干法纖維工藝）。最常用的合成纖維包括玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。干纖維在卷繞之前會浸入熱固性樹脂中。與熱塑性樹脂相比，熱固性樹脂需要更多的加工時間。熱固性樹脂的低粘度有利于在制造過程中對纖維的浸漬。熱塑性樹脂的粘度要高得多（是熱固性樹脂的三倍），這在制造過程中需要較大的壓力，導致殘余應力，從而可能引起變形和基體開裂。通過纖維卷繞制造的管材的機械性能取決于纖維的張力，因此纖維的抗拉強度必須足夠高，以便將纖維卷繞在芯模上。天然纖維是親水性的，而樹脂是疏水性的，這削弱了纖維與樹脂之間的結合。天然纖維的表面性能可以通過物理處理（如電作用、等離子體、紫外線等）、化學處理（如堿處理、乙酰化、硅烷、芐基異氰酸酯、丙烯酸等）或生物方法（如酶處理、真菌處理、細菌纖維素涂層）來改善。在植物纖維中，纖維的機械性能取決于纖維結構、微纖維角度、細胞尺寸和化學成分。纖維中的纖維素含量對植物（葉）纖維的抗拉強度、穩定性和楊氏模量起著重要作用。纖維素含量越高，抗拉強度越高。葉片類型的纖維由纖維素、半纖維素、果膠、木質素和蠟組成。由于半纖維素是無定形的和非均勻的，半纖維素含量較高會降低抗拉強度。天然纖維的機械性能受到微觀結構參數（如纖維素含量和纖維素結晶度）的嚴重影響。要獲得高強度，需要較高的纖維素含量和纖維素結晶度。同時，微纖維角度（MFA）也會影響纖維的強度性能。為了獲得高纖維強度，需要較低的MFA和較高的纖維素含量。木纖維的MFA范圍在3°到45°之間，而植物纖維（葉纖維）的MFA則相對穩定，在6°到10°范圍內。MFA與纖維強度（剛度）成反比。
通過對纖維進行表面處理，可以改善纖維與基體之間的附著力，并減少纖維的濕氣吸收能力。表面改性的方法有四種：
i)化學方法（如堿處理、硅烷處理、乙酰化、苯甲酰化等）；
ii) 物理方法（如等離子體、超聲波、紫外線等）；
iii) 物理與化學方法的結合（如堿加等離子體、堿加電暈、堿加硅烷等）；
iv) 生物方法（如酶處理、真菌處理、細菌涂層等）。
黃麻：
黃麻纖維的長絲纏繞應用雖然較少，但一些公司已經將其用于特定工業應用。例如，印度的TPI Composites公司開發了黃麻增強的復合材料，用于制造風力渦輪葉片。黃麻纖維與環氧樹脂的結合，在風能行業中通過長絲纏繞工藝制造了低風速環境下的葉片。這種復合材料的優點在于黃麻纖維具有高強度、低成本和可再生性，從而減輕了葉片的重量并增強了其耐久性。
孟加拉國也在探索黃麻復合材料在汽車行業中的應用，特別是在低承重的非結構部件中。這些應用通過纏繞工藝制造出輕量化的部件，并提升了材料的抗沖擊性能。
劍麻：
劍麻纖維因其優良的抗拉伸和抗沖擊性能，被用于長絲纏繞制造壓力容器和管道系統。英國工程塑料和復合材料管道公司Pipex是該領域的領先企業之一，他們通過將劍麻纖維與玻璃纖維結合，采用長絲纏繞技術制造了輕量化和抗腐蝕的壓力容器。這些產品廣泛應用于化工和油氣行業，用于運輸液體和氣體。劍麻纖維具有較高的抗拉伸強度和耐熱性能，使其在這些高要求的應用中表現出色。
此外，巴西的Sisaltec公司也采用了類似的長絲纏繞技術，將劍麻纖維與合成纖維結合，制造輕型管道和壓力容器。劍麻增強復合材料在管道應用中表現出了極佳的機械性能，并通過減少碳纖維的使用，降低了成本和碳排放。
亞麻：
亞麻纖維在長絲纏繞工藝中的應用相對成熟，特別是在汽車工業中。專注于開發和生產天然纖維高性能復合材料的瑞士公司Bcomp開發了用于長絲纏繞的亞麻增強復合材料，廣泛應用于高性能汽車的結構件制造。例如，Bcomp為全電動SUV Volvo EX30設計的內飾件采用了其專有的ampliTex亞麻纖維技術。這種材料通過長絲纏繞工藝制造出既輕便又堅固的復合材料，大幅提高了汽車的可持續性和環保性。亞麻纖維的優點在于其高強度、低密度和自然美感，使其成為汽車內飾中可替代玻璃纖維的理想材料。
此外，亞麻纖維還被應用于戶外車輛的制造中，例如德國Greenlander展示的Sherpa探險車，其車身使用了由亞麻纖維增強的復合材料。該車體材料通過長絲纏繞技術制造，結合了生物基樹脂和可回收材料，使車輛具有更好的輕量化性能，同時減少了環境足跡。
黃麻、劍麻和亞麻纖維通過長絲纏繞工藝，已經在風力發電、汽車零部件和壓力容器等行業中獲得了實際應用。雖然黃麻的應用仍在擴展中，但在環保要求和可持續性推動下，這些天然纖維正逐步替代部分傳統的合成纖維，在纏繞工藝應用領域成為一股制造新興勢力，具有廣泛的工業前景。
摘自
1、Diana P. Ferreira, Juliana Cruz, Raul Fangueiro, 2019, ‘‘Surface modification ofnatural fibers in polymer composite”, Green Composites for AutomotiveApplications, Chapter 1, pp 3-41,https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102177-4.00001-X，https://doi.org/10.1016/B978?0?08?102177?4.00001?X。
2、K.G. Satyanarayana et al., Structure and properties of some vegetable fibers, J.Mater. Sci. 21 (1986) 57.
3、Ganesh D. Shrigandhi ?, Basavaraj S. Kothavale, Biodegradable composites for filament winding process, Materials Today: Proceedings