桉木基復(fù)合材料研究進(jìn)展*

李怡欣 曹永建 馬紅霞 謝桂軍 李興偉 李萬(wàn)菊

（廣東省林業(yè)科學(xué)研究院/廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520）

桉樹(shù)（Eucalyptus）具有生長(zhǎng)速度快、品種多、干形通直、密度高、材質(zhì)細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，是世界上最重要的人工樹(shù)種之一[1]。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始大規(guī)模種植桉樹(shù)，到2017年全國(guó)桉樹(shù)人工林面積達(dá)到450萬(wàn)hm2，年產(chǎn)桉樹(shù)木材超過(guò)3 000萬(wàn)m3，接近全國(guó)木材產(chǎn)量的30%；目前我國(guó)木材年消費(fèi)量超過(guò)5億m3，桉樹(shù)產(chǎn)業(yè)在緩解我國(guó)木材供需矛盾、保證木材安全方面發(fā)揮了重要作用[2]。

相較于松樹(shù)、楊樹(shù)、杉樹(shù)等人工林樹(shù)種而言，桉樹(shù)材存在高生長(zhǎng)應(yīng)力、節(jié)疤、容易變形、開(kāi)裂、干燥困難等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其利用率低，利用方式單一[3]。目前我國(guó)桉樹(shù)木材多應(yīng)用于紙漿和人造板(膠合板、纖維板、刨花板)領(lǐng)域[4-6]，附加值不高。材料的復(fù)合化是材料科學(xué)發(fā)展的重要趨勢(shì)，是新材料研究中普遍應(yīng)用的方法。復(fù)合材料由多種不同性質(zhì)的材料經(jīng)過(guò)合理的配置而成，可兼具其中多種材料的優(yōu)良性能[7]。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者們通過(guò)將桉樹(shù)木材與其他材料復(fù)合，在改良速生桉木材材性、提高木材強(qiáng)度、拓寬桉木的應(yīng)用范圍、提高其附加價(jià)值方面做出了努力的探索。本論文從桉木/塑料復(fù)合材料、桉木/竹復(fù)合材料、桉木/水泥復(fù)合材料、桉木/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料4個(gè)方面對(duì)桉木基復(fù)合材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 桉木/塑料復(fù)合材料

木塑復(fù)合材料（wood-plastic composites, WPC）是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及它們的共聚物等熱塑性塑料和木粉、植物秸稈等木質(zhì)粉料為原料，經(jīng)擠壓、注塑或壓制成型得到的復(fù)合材料[8]。WPC既保持了木材的天然外觀，又有較好的尺寸穩(wěn)定性，不易開(kāi)裂和變形，具有較好的耐水性、耐候性，可應(yīng)用于建筑水泥模板、室外包裝材料、復(fù)合地板基材、樓梯板等。由于其生產(chǎn)原料可以是廢棄的塑料、木材及農(nóng)作物廢棄物，并且生產(chǎn)過(guò)程中以各種熱塑性塑料代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠粘劑，因此其應(yīng)用有助于資源的回收利用，避免了甲醛釋放，環(huán)境友好。

1.1 桉木粉/塑料復(fù)合材料

桉木粉可充分利用回收的木材、余料、木屑等被廢棄的木料，因此利用桉木粉制備木塑復(fù)合材料，環(huán)保且價(jià)格低廉。郭艷玲等[9]利用聚砜醚（PES）和桉木粉制備了可應(yīng)用于選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)的廉價(jià)材料——PES/桉木復(fù)合材料。對(duì)SLS原形件進(jìn)行石蠟浸滲處理后，其力學(xué)性能較滲蠟前得到改善，抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、及沖擊強(qiáng)度分別提高了87倍、5.7倍及2.5倍，可滿足作為普通塑料功能件的使用要求。宋麗賢等[10]通過(guò)混合、混煉、模壓成型等步驟，利用聚氯乙烯（PVC）樹(shù)脂與預(yù)處理后的廢舊桉木粉制得木塑復(fù)合材料，并研究了木粉粒徑和填量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)木粉粒徑為70～80目，木粉填量為20%時(shí)，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度最佳。徐開(kāi)蒙等[11]用巨尾桉（Eucalyptus grandis × E. urophylla）等5種樹(shù)種的木粉與聚氯乙烯（PVC）混合，制備不同的木塑復(fù)合材料，并分析腐朽菌對(duì)復(fù)合材料微觀形貌及界面結(jié)合的影響。人工模擬加速試驗(yàn)結(jié)果表明，巨尾桉/PVC復(fù)合材料對(duì)采絨革蓋菌（Coriolus versioolor）的耐腐性為II級(jí)，對(duì)綿腐臥孔菌（Poria vaporaria）的耐腐性為I級(jí)。Ayrilmis等[12]將不同溫度的飽和蒸汽處理的赤桉（E. camaldulensis）木纖維與聚丙烯（PP）粉末按1 : 1（質(zhì)量比）混合，制成尺寸穩(wěn)定性良好的桉/PP木塑復(fù)合材料。隨著桉木纖維熱處理的溫度升高、時(shí)間延長(zhǎng)，材料的厚度膨脹率（TS）和吸水性（WA）顯著降低。當(dāng)桉木纖維熱處理?xiàng)l件為180 ℃、40 min時(shí)，復(fù)合材料的28天TS和WA分別降低60%和31%。但由于半纖維素在熱處理過(guò)程中發(fā)生水解，因此該WPC板的抗彎強(qiáng)度（MOR），彈性模量（MOE）和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均有所下降。陳繼尊等[8]將廢棄印刷電路板非金屬粉末（廢PCB粉）、桉木粉填充改性聚丙烯（PP），以制備低成本的PP木塑復(fù)合材料。研究分析了在不同的PCB粉、桉木粉配比下，復(fù)合材料的結(jié)晶性能、維卡溫度、熱穩(wěn)定性、熔體流動(dòng)速率、阻燃性能等。結(jié)果表明當(dāng)PCB/桉木粉按2 : 1（質(zhì)量比）比例協(xié)同填充改性PP時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能較好。

1.2 桉木單板/塑料復(fù)合材料

除了將桉木粉、木纖維和塑料熔融共混，近年來(lái)也有研究者以桉木單板和塑料薄膜為原料，采用人造板工藝熱壓—冷壓方式制備桉木單板/塑料復(fù)合材料。任從容等[13]以巨尾桉木和高密度聚乙烯（HDPE）膜為原材料，制備三層木塑復(fù)合材料，并優(yōu)化了熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間和塑料添加量等參數(shù)。在最優(yōu)工藝下，所制備的巨尾桉/PE膜復(fù)合材料的膠合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度、彈性模量符合GB/T 9846.3—2004 II類(lèi)膠合板的標(biāo)準(zhǔn)。

李雪菲等[14]以鄧恩桉（E. dunnii）木單板為基材，通過(guò)聚丙烯（PP）膜進(jìn)行膠粘，制備木塑復(fù)合材料，在最優(yōu)工藝條件下，其耐水膠合強(qiáng)度滿足GB/T 9846.3—2004 標(biāo)準(zhǔn)中I類(lèi)膠合板的要求。王丹丹等[15]制備了鄧恩桉木單板/聚氯乙烯（PVC）膜復(fù)合材料，并加入一定量的硅烷偶聯(lián)劑KH550，改善了復(fù)合材料的界面相容性，提高了耐水性能和力學(xué)性能。

2 桉木/竹復(fù)合材料

我國(guó)的竹類(lèi)資源十分豐富，其面積和產(chǎn)量均居世界首位[16]。據(jù)國(guó)家林業(yè)局?jǐn)?shù)據(jù)[17]，2013年全國(guó)大徑竹產(chǎn)量18.77億根，小雜竹產(chǎn)量956.21萬(wàn)t。木竹復(fù)合材料是以竹材和木材為主要原料，通過(guò)加工成相同或不同的結(jié)構(gòu)單元形式，在其他一些輔助材料配合下，經(jīng)過(guò)組合、膠接等相應(yīng)加工工藝制成的一種復(fù)合板材[18]。木竹復(fù)合材料比模量高、比強(qiáng)度大，不僅能夠在很大程度上保持原材料的紋理方向，充分發(fā)揮竹木的各自優(yōu)點(diǎn)，而且可以降低生產(chǎn)成本，增加速生木材附加值，可廣泛應(yīng)用于家具、地板等建材等行業(yè)中[19]。開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的桉木/竹復(fù)合材料，更充分地利用桉木、竹材資源，是對(duì)我國(guó)匱乏的森林資源的重要補(bǔ)充。

余養(yǎng)倫等[16]選用毛竹（Phyllostachys heterocycla var. pubscense）和尾葉桉（E. urophylla）為原料制備竹桉復(fù)合材料，基于毛竹竹條和桉樹(shù)單板基本物理力學(xué)性能、表面潤(rùn)濕性能、膠合性能和板坯熱傳導(dǎo)性能等，對(duì)復(fù)合材料的重組技術(shù)的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了優(yōu)化。王成陽(yáng)[20]以柳桉（E.saligna）單板和苦竹（Pleioblastus amarus）、五葉斑竹（P. bammusoides）、四季竹（Oligostachyum lubricum）等小徑級(jí)竹材制備竹木復(fù)合夾芯板，分析了不同竹材、不同膠粘劑、是否用射線輻照處理等因素對(duì)竹木復(fù)合夾芯板的含水率、膠合強(qiáng)度、彈性模量、靜曲強(qiáng)度、浸漬剝離等性能的影響。翟志忠等[21]制備了兩種含桉木的新型竹基復(fù)合材料，用于制備集裝箱底板結(jié)構(gòu)，底板的厚度、力學(xué)性能、膠合性能和浸潰剝離性能符合國(guó)標(biāo)要求。以桉木、竹席、竹簾為原料制備的復(fù)合材料，其MOR縱向值、MOR橫向值、MOE縱向值、MOE橫向值、膠合強(qiáng)度分別超出國(guó)標(biāo)要求值的24%、9%、2%、29%、12%，生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)組坯結(jié)構(gòu)底板降低16%。以人工林楊木、馬尾松（Pinus massoniana）、桉木、竹簾制備的復(fù)合材料，MOR縱向值、MOR橫向值、MOE縱向值、MOE橫向值、膠合強(qiáng)度分別超出國(guó)標(biāo)要求值的28%、38%、6%、48%、18%，生產(chǎn)成本降低了21%。該桉木/竹基復(fù)合材料有望為集裝箱底板結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新以及降低生產(chǎn)成本提供技術(shù)支持。張澤前[22]以柳桉多層膠合板為基材、碳纖維發(fā)熱紙為發(fā)熱單元、刨切薄竹為表層，制備竹木電熱復(fù)合板，分析了膠黏劑種類(lèi)、熱壓時(shí)間、電熱紙品類(lèi)、竹單板層數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)竹木電熱復(fù)合板的膠合強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性的影響。在采用最優(yōu)工藝條件，即選用改性MF膠、NL-110型電熱紙、2層竹單板，熱壓時(shí)間2.0 min/mm時(shí)，竹木電熱復(fù)合板的膠合強(qiáng)度較試驗(yàn)平均值提高48%，耐熱長(zhǎng)度收縮率、耐熱寬度收縮率分別較試驗(yàn)平均值減少16%、8%。

3 桉木/水泥復(fù)合材料

纖維水泥板，是以木纖維和水泥為主要原料，經(jīng)攪拌、成型、加壓和養(yǎng)護(hù)制成的一種復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，具有防潮、防腐、防火及良好的隔音、隔熱等性能。其木材來(lái)源主要是采伐剩余物（如小徑材、枝椏）、加工剩余物（邊皮、木芯、碎單板及其他下腳料），以及回收的舊木材等。利用桉木纖維制備水泥纖維板，有利于提高桉木的利用價(jià)值，節(jié)約能源消耗，具顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[23]。

Coutts等[24]對(duì)比了闊葉材（柳桉、巨桉E.grandis，桉木纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占8%）纖維/水泥、針葉材（輻射松P. radiata）纖維/水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)兩者的抗彎強(qiáng)度相近（20 MPa），而前者由于纖維較短，其斷裂韌性低于后者。Semple等[25]探究了5種西澳大利亞桉樹(shù)（E.polybractea， E. horistes， E. kochii ssp. plenissima，E. angustissima， E. loxophleba ssp. lissophloia）用于制備桉木/水泥復(fù)合材料的可行性，發(fā)現(xiàn)木材會(huì)在一定程度上阻礙硅酸鹽水泥的水化過(guò)程，但與水泥仍有一定的相適性。而由于桉木碎屑的顆粒尺寸和長(zhǎng)寬比較小，所制得板材的彎曲性能，如彈性模量和靜曲強(qiáng)度，均不如用輻射松/水泥制作的板材和商用板材。郝聰杰[23]采用半干法制備桉木纖維/水泥板。研究結(jié)果表明：經(jīng)化學(xué)處理的桉木纖維對(duì)水泥的阻凝作用較小，與水泥有較好的相適性，可直接用于制備水泥纖維板;分析了木灰比和水灰比對(duì)板材的實(shí)際密度、靜曲強(qiáng)度、彈性模量、24 h吸水厚度膨脹率等性能的影響;利用優(yōu)化條件制備的桉木纖維/水泥板，達(dá)到了《GB/T 24312—2009 水泥刨花板》優(yōu)等品的要求。Garcez等[26]用巨桉鋸末和水泥制備了輕質(zhì)的桉木纖維/水泥復(fù)合材料。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比不變時(shí)，材料的密度與抗壓強(qiáng)度和彈性模量成正比，與木材占比成反比。加入超增塑劑有利于水泥顆粒分散和水化，有助于改善復(fù)合材料的機(jī)械性能。

4 桉木/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料

將無(wú)機(jī)物作為增強(qiáng)體，分散到木材基體中，可制備木材/無(wú)機(jī)復(fù)合材料。利用所填充的無(wú)機(jī)物的特性，復(fù)合后的木材可獲得良好的尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)強(qiáng)度、阻燃性、抗腐朽性等[27]。有關(guān)楊木、杉木與無(wú)機(jī)物復(fù)合的研究較多，例如楊木與TiO2、ZnO復(fù)合可提高木材的抗菌性、耐候性[28]，與硅酸鹽復(fù)合可提高抗變彈性模量和阻燃效果[29]；杉木與硅酸鋁復(fù)合可提高尺寸穩(wěn)定性[30]，與K2CO3-SiO2溶膠復(fù)合可提高阻燃性能[31]。

目前關(guān)于桉木/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料的報(bào)道較少。張鈺雯[32]以速生桉木材為主要原材料，采用溶膠—凝膠法在木材內(nèi)部生成SiO2，制備桉木/SiO2復(fù)合材料。當(dāng)浸漬時(shí)間為9 d時(shí)，木材中SiO2含量最高。得益于SiO2可支撐細(xì)胞腔、強(qiáng)化細(xì)胞壁、可吸收紫外線等特性，復(fù)合材料的吸濕膨脹率可達(dá)到0.1%以下，在72 h加速老化的實(shí)驗(yàn)中其耐老化性能提高了1.9倍，氣干材接觸角達(dá)到130°以上。研究還表明，SiO2復(fù)合的桉木生材的主要物理力學(xué)性能優(yōu)于氣干材。

5 總結(jié)

桉樹(shù)是我國(guó)主要的速生樹(shù)種之一，改善桉木性能、拓寬桉木利用范圍，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，是順應(yīng)國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的必要之舉。材料復(fù)合是一種可行有效的路徑，它使得來(lái)源豐富、價(jià)格低廉的桉木與塑料、竹材、水泥等材料各自揚(yáng)長(zhǎng)避短，提升了桉木的利用價(jià)值，使桉木在實(shí)際生產(chǎn)和生活中能夠發(fā)揮更大作用，是值得研究者們繼續(xù)探索的領(lǐng)域。

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