秸稈仿木 變廢為寶

沈春蕾

隨著研發(fā)和市場推廣的深入，仿木產(chǎn)品將很快進(jìn)入市場，走進(jìn)千家萬戶。這樣木材的發(fā)展就實(shí)現(xiàn)了從原木到人造板，再到一年生草本植物仿木的時(shí)代，使人類擺脫對木材依賴性，實(shí)現(xiàn)木材可持續(xù)性發(fā)展

社會發(fā)展對木材需求量越來越大，森林生長的速度已滿足不了需求，這倒逼木材行業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新探索。

日前，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）生物基高分子團(tuán)隊(duì)利用植物秸稈等纖維復(fù)合材料，制備出仿木復(fù)合材料。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、寧波材料所研究員朱錦告訴筆者：“我們已經(jīng)與企業(yè)合作開發(fā)了一套工藝，不僅解決了農(nóng)村秸稈大量焚燒問題，還有望將農(nóng)林廢棄物變廢為寶?！?/p>

1.尋找木材的

替代品

如今，通過砍伐森林獲得的圓木越來越少，于是木材行業(yè)出現(xiàn)了人造板材。所謂人造板材就是以速生林如楊樹、桉樹等生長周期短的樹木為原材料，通過旋切成木皮或用碎木做成木纖維做原材料，利用膠黏劑把它們粘接成為板材。

人造板材制造方法靈活、價(jià)格低廉，幾乎可以滿足人們?nèi)粘Ｐ枰?。?jù)中國木材與木制品流通協(xié)會信息中心統(tǒng)計(jì)顯示，2017年中國每年產(chǎn)生的人造板材超過3億立方米。

然而，人造板材由于存在有機(jī)膠黏劑，往往會釋放甲醛。而當(dāng)下，甲醛污染問題已經(jīng)成為社會關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。

“人造板材雖然比圓木增加了加工靈活性，但受限于其成型工藝只能制備簡單構(gòu)件，不能像塑料一樣制備復(fù)雜構(gòu)件?！敝戾\發(fā)現(xiàn)，此前高分子科學(xué)家通過木粉填充塑料，獲得新型木塑復(fù)合材料。近20年來，木塑復(fù)合材料因?yàn)榧染哂兴芰霞庸さ膬?yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有木材的美觀，發(fā)展迅速。

新問題也隨之產(chǎn)生?！澳舅軓?fù)合材料是以木粉作為填充，填充量一般低于60%，其力學(xué)性能達(dá)不到木材的要求，易出現(xiàn)翹曲、變形等嚴(yán)重問題?！敝戾\說，木塑復(fù)合材料還不能真正滿足木材需要，達(dá)到取代木材的目的。

從結(jié)構(gòu)上來說，木材的微結(jié)構(gòu)是一種纖維復(fù)合材料。我國纖維復(fù)合材料的歷史甚至可以追溯到古代，古人利用稻草或麥秸增強(qiáng)粘土來制造房屋，就是一種纖維復(fù)合材料的利用。朱錦稱：“稻草或者麥秸稈難以收集處理，易變質(zhì)、易燃燒、易吸水，所以在現(xiàn)代復(fù)合材料中很難再見到它們的身影?！?/p>

“根據(jù)木材紋理結(jié)構(gòu)，我們能否研制出真正可以替代木材的新型仿木復(fù)合材料呢？”朱錦帶領(lǐng)的生物基高分子團(tuán)隊(duì)開始新的嘗試。

2.克服材料技術(shù)難題

無論人造板材還是木塑，其原材料都需要木材?！?017年，我國木材進(jìn)口依賴度已經(jīng)達(dá)到60%以上?！敝戾\團(tuán)隊(duì)想到，可以利用一年生草本植物纖維，如麻纖維、竹纖維等作為纖維結(jié)構(gòu)，與塑料結(jié)合做出纖維結(jié)構(gòu)的仿木復(fù)合材料?！斑@樣就將徹底解決人類對木材的依賴性?！?/p>

“由于各類植物纖維的價(jià)格低于高分子樹脂的價(jià)格，這類復(fù)合材料的成本也將低于目前的塑料樹脂?！辈贿^，朱錦研究發(fā)現(xiàn)，要大規(guī)模開發(fā)并利用植物纖維材料，還需要克服材料技術(shù)的層層難題考驗(yàn)。

由于植物纖維具有較強(qiáng)的親水性，其與疏水的高分子樹脂之間的相容性很差，導(dǎo)致最終獲得的復(fù)合材料表現(xiàn)出較大的脆性。

生物基高分子團(tuán)隊(duì)的應(yīng)對方案是，相容助劑。他們通過優(yōu)選找到的相容助劑可以有效地改善親水植物纖維與疏水性高分子樹脂之間的相容性，最終制備出具有高強(qiáng)度、高模量的植物纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料。

不過，隨著植物纖維含量的提高，植物纖維高分子復(fù)合材料表面容易形成各種缺陷。比如，在擠出生產(chǎn)中，如果流動性欠佳則會出現(xiàn)無法連續(xù)擠出、擠出后形狀不穩(wěn)定等問題。朱錦團(tuán)隊(duì)的解決方案是采用“內(nèi)潤滑”加“外潤滑”的復(fù)配潤滑劑體系，制備了外觀造型復(fù)雜、流動性要求特別高的汽車零部件，也順利實(shí)現(xiàn)了板材的連續(xù)化擠出。

此外，植物纖維與常見的塑料都是易燃品，當(dāng)前植物纖維復(fù)合材料的阻燃問題也是一大難題。

“其他研究團(tuán)隊(duì)通過有機(jī)溶劑或者堿液處理纖維實(shí)現(xiàn)阻燃。但是這條路徑不僅在環(huán)保處理方面費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且增加了很多額外的成本。”朱錦介紹了他們生物基高分子團(tuán)隊(duì)采用植物纖維與樹脂基體分步阻燃化的方案：對兩者單獨(dú)進(jìn)行阻燃處理。通過科學(xué)的阻燃評價(jià)，高填充的植物纖維復(fù)合材料達(dá)到了V0級的阻燃能力。

3.加工制備仿木材料

當(dāng)前植物纖維制備與加工也面臨著三個(gè)挑戰(zhàn)，分別是如何集中收集、如何高效破碎、如何與樹脂基體均勻混合。朱錦以秸稈為例說，秸稈收集成本較高、雜質(zhì)較多，最后的綜合化利用也比較困難，農(nóng)業(yè)化的機(jī)械設(shè)備可以初步破碎這類秸稈，但是其細(xì)膩程度距離復(fù)合材料的制備依然比較遙遠(yuǎn)。

朱錦率團(tuán)隊(duì)通過研究發(fā)現(xiàn)，要解決以上問題，首先需要小型化的裝備，可以在一定地域范圍多點(diǎn)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)纖維的處理乃至復(fù)合材料的制備;其次，要有高效的纖維破碎方法，讓秸稈或者麻類纖維里的微觀纖維通過破碎的過程從主干中分離出來;最后，設(shè)備需要有非常強(qiáng)的共混攪拌扭矩才能讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進(jìn)行充分共混。

為此，寧波材料所與濰坊云鼎新材料科技有限公司合作開發(fā)了一套高速共混設(shè)備，可以在一個(gè)工藝步驟內(nèi)解決以上問題。朱錦說：“該設(shè)備可以成功制備出植物纖維填充量高達(dá)80%的熱塑性復(fù)合材料，通過原料共混和自動切粒后所形成的復(fù)合材料顆粒，可以通過常規(guī)的塑料成型工藝進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)?！?/p>

高含量植物纖維保證了復(fù)合材料的高強(qiáng)度，這一點(diǎn)與木材類似，因此高含量的植物纖維高分子材料也稱為仿木復(fù)合材料。這類仿木復(fù)合材料具有比木材、人造板、單一塑料和傳統(tǒng)木塑更加優(yōu)異的綜合性能。

朱錦表示，隨著研發(fā)和市場推廣的深入，仿木產(chǎn)品將很快進(jìn)入市場，走進(jìn)千家萬戶。這樣木材的發(fā)展就實(shí)現(xiàn)了從原木到人造板，再到一年生草本植物仿木的時(shí)代，使人類擺脫對木材依賴性，實(shí)現(xiàn)木材可持續(xù)性發(fā)展。