非木材植物人造板的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

劉云霞， 劉洪海

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，使得大規(guī)?！叭荻ㄖ啤卑迨郊揖呷遮吜餍衃1]，進(jìn)而對(duì)木質(zhì)人造板的需求逐年上升。然而世界森林資源日益緊缺，所以非木材植物人造板的研發(fā)利用對(duì)于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。我國(guó)非木材植物資源種類多、產(chǎn)量高，具有巨大的利用優(yōu)勢(shì)。我國(guó)自20世紀(jì)50年代開始研發(fā)非木材植物人造板，經(jīng)多年科技攻關(guān)，在非木材植物原料的開發(fā)利用上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，目前在該領(lǐng)域技術(shù)學(xué)平處于世界前列[2-3]。

本文從非木材植物人造板的原料、種類以及生產(chǎn)工藝的角度總結(jié)非木材植物人造板的發(fā)展及應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上指出當(dāng)前該領(lǐng)域需解決的問題，并對(duì)其提出展望。

1 非木材植物人造板的發(fā)展概況

1.1 非木材植物人造板國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史

1.1.1 國(guó)外發(fā)展歷史

國(guó)外20世紀(jì)初就已經(jīng)大規(guī)模地開始利用非木材植物麥稈為原料進(jìn)行人造板的研發(fā)和生產(chǎn)，目前世界上非木質(zhì)人造板的總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到所有木質(zhì)人造板原材料總產(chǎn)量的10%以上[4]。1905年，德國(guó)率先進(jìn)行麥稈人造板的研發(fā)生產(chǎn)，開啟了非木材植物人造板的先河。20世紀(jì)20年代，美國(guó)工廠利用蔗渣進(jìn)行了軟質(zhì)絕緣板的生產(chǎn)，之后陸續(xù)研發(fā)了蔗渣纖維板和蔗渣碎料板。1984年第一個(gè)麻屑板廠在比利時(shí)建成。1966年德國(guó)的Kollmann提出了以稻殼為原料進(jìn)行碎料板的制造，通過后續(xù)的研究和技術(shù)開發(fā)，菲律賓于1980年建成了世界上第一座稻殼板廠。伊朗在1968年最先建成了棉稈碎料板廠。20世紀(jì)80年代，蘇、美、法、德等幾個(gè)國(guó)家開始對(duì)麥稈、棉稈、蔗渣、麻屑等原料的人造板工藝進(jìn)行研究。1985年，第一家以蔗渣為原料的中密度纖維板廠在泰國(guó)建成。1995年，以麥秸為原料的刨花板生產(chǎn)線由瑞典Daproma公司在美國(guó)建成。21世紀(jì)以后，麥稈和稻秸人造板開始在國(guó)外被普遍應(yīng)用[5]。

1.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行稻殼板的研究，到 80年代初步獲得一些成果，后期由于原料、工藝技術(shù)等的影響，一度導(dǎo)致研究生產(chǎn)停滯不前。除稻殼板外，以蔗渣為原料的軟質(zhì)纖維板是我國(guó)非木材植物人造板中較早研發(fā)出來的，在此之后硬質(zhì)纖維板和碎料板也陸續(xù)研發(fā)出來。

1987年，第一條麻屑板車間由中國(guó)林科院與其他研究院合作設(shè)計(jì)出來，到20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)已經(jīng)有10余條亞麻屑刨花板生產(chǎn)線。20世紀(jì)80至90年代初，河北、山東、河南和新疆等棉花產(chǎn)區(qū)開始了以棉花桿為原料的人造板生產(chǎn)研究。20世紀(jì)初，中國(guó)對(duì)于非木材植物人造板的研究重點(diǎn)放在了麥稈和稻秸上。20世紀(jì)70到80年代，國(guó)內(nèi)研發(fā)了以竹材為原料的竹編膠合板，最早開啟了竹材人造板的研究。20世紀(jì)90年代初，南京林業(yè)大學(xué)張齊生提出了以“竹材軟化展平”為核心的竹材膠合板，之后該產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于車廂底板。在此之后的10年里，國(guó)內(nèi)開發(fā)應(yīng)用了竹席/竹簾膠合板和竹集成材制造技術(shù)，竹材人造板自此呈現(xiàn)高速高質(zhì)量發(fā)展的態(tài)勢(shì)[6]。

20世紀(jì)90年代后，我國(guó)對(duì)利用農(nóng)作物剩余物生產(chǎn)人造板的研究開發(fā)由實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向了生產(chǎn)實(shí)踐?！笆濉逼陂g，許多科研院校和機(jī)構(gòu)對(duì)于秸稈人造板開展了大量的研究，成果顯著。同時(shí)，在相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備方面，較為成熟完整的非木材植物人造板生產(chǎn)設(shè)備也陸續(xù)研發(fā)生產(chǎn)出來。至此，我國(guó)非木材植物人造板在原料、工藝、設(shè)備等方面都有了統(tǒng)一的系統(tǒng)。

1.2 非木材植物人造板的種類

按照原料的形態(tài)可以將非木材植物人造板分為纖維板(原料為纖維形態(tài))、碎料板(原料為碎料、廢殼形態(tài))、膠合板(原料為單板形態(tài))以及復(fù)合板四大類，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)主要以纖維板和碎料板為主。此外，也可以按照原料的種類來劃分，如紙面稻草板、竹類人造板等。

1.3 非木材植物人造板原料的分類

已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的非木材植物原料大部分為農(nóng)作物下腳料和野生植物。如按植物生活期分，非木材植物原料纖維可分為1年生植物纖維(如棉稈、稻草等)、2年生植物纖維(如甜菜等)和多年生植物纖維(如竹類等)。按植物用途又可分為糧食作物纖維(如稻麥桿、高粱稈)、油料作物纖維(如花生殼、葵花殼)、經(jīng)濟(jì)作物纖維(如棉稈、麻稈)、野生植物纖維(如龍須草)。按纖維在植物組織中的部位分為果實(shí)纖維、葉纖維、種毛纖維、韌皮纖維、莖稈纖維等。非木材植物人造板的主要種類見表1。

表1 非木材植物人造板的主要種類

利用上述最后一種分類方法并結(jié)合人造板生產(chǎn)中不同原料需采用不同的工藝措施，可以把非木材植物原料分為五大類：秸稈類、莖梗類、殼類、廢渣類、藤草類。具體分類見表2。

表2所列的非木材植物原料在我國(guó)種類和產(chǎn)量都十分豐富。以秸稈為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅用全國(guó)稻秸和麥秸總量的5%，便可制造約2 000萬m3的人造板，可以代替6 000萬m3的木材。我國(guó)秸稈年產(chǎn)量約7億t，其中麥秸和稻秸近4億t，玉米稈、高粱稈和棉花稈約2億t，可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的逾6億t[7]，秸稈人造板適用于家具、包裝等領(lǐng)域[8]。此外，中國(guó)也是世界竹林資源最為豐富的國(guó)家，竹材也是一種優(yōu)良的木材替代品[9]。我國(guó)竹類品種及年產(chǎn)量都相當(dāng)豐富，竹林面積廣泛，主要分布在華東、西南和華南的多個(gè)省區(qū)。

表2 非木材植物原料分類

2 典型非木材植物原料及其板材

2.1 稻麥板

稻草纖維短而細(xì)，且雜細(xì)胞與不定性細(xì)胞含量高，濾水性差，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)去除草葉、草節(jié)和草穗。其稈莖的結(jié)構(gòu)不易壓縮軟化，在制漿中其蒸煮工藝很難控制。同時(shí)，其表皮光滑，潤(rùn)濕性差，十分不利于施膠[10-13]。但稻草麥秸來源廣，生產(chǎn)成本低，且稻麥板有相對(duì)較好的物理力學(xué)性能，可應(yīng)用于室內(nèi)裝飾、包裝等領(lǐng)域。

當(dāng)前以稻麥稈為原料的人造板主要有紙面稻草(麥秸)板、稻草碎料板、麥秸碎料板、稻草(麥秸)軟質(zhì)裝飾吸音板、草筋板等。

2.2 稻殼板

我國(guó)從20世紀(jì)50年代起已經(jīng)有人提出稻殼板的生產(chǎn)，但由于成本、技術(shù)、質(zhì)量、應(yīng)用等多方面的限制，發(fā)展一直很慢。稻殼纖維只有0.3 mm左右，稻殼板加工過程中纖維之間的連接主要靠膠黏劑。因稻殼表面粗糙且有疏水層，極大增加了膠合難度。因此，在進(jìn)行施膠成型之前，需先對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理—碾磨或輥磨處理。

稻殼板可以作為木材刨花板的代用材料，其具有良好的隔音和吸熱能力，可用作隔音、吸聲材料，高密度稻殼板可直接應(yīng)用于家具領(lǐng)域，如桌面、柜面、床架等，也可二次加工，如對(duì)其進(jìn)行特殊涂飾，運(yùn)用于家具等領(lǐng)域，也是很好的裝飾材料[14]。此外，其在船舶及車輛的裝修、縫紉機(jī)臺(tái)板上也有應(yīng)用。

2.3 棉稈人造板

棉稈自身的強(qiáng)度較低，其人造板強(qiáng)度一般低于木材板材，但也可以在工藝上采取措施生產(chǎn)高等級(jí)板材。棉稈皮含量高會(huì)增加生產(chǎn)上的困難，因此在生產(chǎn)中最好去除棉稈皮。棉稈人造板主要是棉稈纖維板和棉稈碎料板，目前已經(jīng)研發(fā)生產(chǎn)出來的品種主要是軟質(zhì)纖維板、硬質(zhì)纖維板和中密度纖維板。棉稈碎料板是近些年發(fā)展較快的板種，由于大力提倡干法制板，目前棉稈碎料板廠在規(guī)模以及數(shù)量上都相當(dāng)可觀。

2.4 蔗渣人造板

蔗渣是由維管束、表皮以及蔗髓所構(gòu)成，前兩者影響蔗渣板材物理力學(xué)性能和板材強(qiáng)度，后者對(duì)板材質(zhì)量帶來不利影響，因此在生產(chǎn)中除髓是一道重要的工序。蔗渣板材的類型主要有覆塑蔗渣瓦楞板和自生膠蔗渣碎料板。覆塑蔗渣瓦楞板主要用于室外場(chǎng)所，如一些簡(jiǎn)單的涼棚、車棚或者臨時(shí)搭建的房屋，用作屋面材料。自生膠蔗渣碎料板利用蔗渣本身所含糖類物質(zhì)在適當(dāng)條件下轉(zhuǎn)化成膠結(jié)物質(zhì)，能夠生產(chǎn)無需膠黏劑的板材，該研究尚處于開發(fā)階段，有很大的發(fā)展空間。

2.5 竹材人造板

由于竹材特殊的外觀形態(tài)以及其高于木材的各向異性，相較于木材而言增加了其加工難度[15-23]。竹材吸水性強(qiáng)，利用其高吸水性可以對(duì)其進(jìn)行蒸煮軟化。同時(shí)竹材具有良好的力學(xué)性能，因此竹材人造板的物理力學(xué)性能十分優(yōu)異。

竹材人造板主要有竹席(竹簾/竹片)膠合板、竹篾層積材、竹席波形瓦、竹材碎料板、竹材纖維板、竹材復(fù)合板、重組竹、徑向竹篾復(fù)合板等。由于其良好的性能，被廣泛應(yīng)用于家具、室內(nèi)裝修、建筑等領(lǐng)域。

2.6 麻屑人造板

亞麻是我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，亞麻除去外表皮的剝皮剩余稈屑就是亞麻屑。為最小程度影響板材的強(qiáng)度，在制板過程中，應(yīng)該最大限度地去除粉塵等雜物。麻屑中的麻纖維團(tuán)雖然纖維含量高，但交織結(jié)團(tuán)會(huì)影響板材的力學(xué)性能和耐水性，故也要除去。麻屑人造板一般有纖維板和碎料板兩種，又可按照麻的具體種類命名，如苧麻人造板，黃麻人造板等。竹材人造板主要品種及應(yīng)用見表3。

表3 竹材人造板主要品種及應(yīng)用

2.7 蘆葦人造板

蘆葦纖維含量與蔗渣接近，故也同蔗渣一樣可用作造紙?jiān)希部芍谱魅嗽彀?。蘆葦人造板主要是蘆葦纖維板和蘆葦碎料板。蘆葦?shù)奈鼭衤屎臀示陀谀静?，其吸水厚度膨脹率也相?yīng)低于木材刨花板。蘆葦壁厚，因而強(qiáng)度較好，蘆葦碎料板擁有較好的力學(xué)性能。

蘆葦葉與蘆葦膜中的高含量SiO2嚴(yán)重妨礙了膠結(jié)過程，降低了脲醛樹脂膠與蘆葦碎料之間的膠合強(qiáng)度，因此在進(jìn)行施膠之前，應(yīng)先盡量去除葦葉和葦膜。蘆葦碎料施膠易結(jié)團(tuán)，普通脲醛樹脂膠黏劑制成的蘆葦碎料板其各項(xiàng)物理力學(xué)性能都較差，需要采用特殊膠黏劑(如異氰酸酯膠黏劑)。

3 非木材植物人造板存在的問題及展望

3.1 存在的問題

(1)原料方面，非木材植物原料的獲取具有很強(qiáng)的季節(jié)性，在工業(yè)生產(chǎn)中，為了保持原料的供應(yīng)，工廠需要提前貯存8～9個(gè)月的原料，這需要占用較大的貯存空間和成本。此外，在貯存過程中，原料的防潮防腐是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵性問題，而且采取有效防潮防腐手段的同時(shí)，也要考慮貯存效果和生產(chǎn)成本，這方面也存在著一定的技術(shù)難度。

(2)工藝方面，目前對(duì)于麥秸板、竹材人造板等非木材植物原料人造板的研發(fā)以及生產(chǎn)都較為成熟，有較為完整的工藝流程。但對(duì)于稻殼板以及其他并未形成完整工藝流程的非木材植物原料來說，在研發(fā)階段仍有許多問題亟待解決。如稻殼板生產(chǎn)過程中，由于稻殼中具有高含量的SiO2，形成了表面疏水層，導(dǎo)致其膠合十分困難。因而在稻殼板工藝技術(shù)的研發(fā)中，膠黏劑的研制十分關(guān)鍵，要求內(nèi)聚強(qiáng)度高，多組分且具有較好滲透性和流動(dòng)性的膠料。

(3)生產(chǎn)設(shè)備方面，制板過程中，不論是前期原料預(yù)處理，中期施膠組胚熱壓成型，還是后處理階段，對(duì)設(shè)備要求都很高。雖然非木材植物原料與木材原料并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，非木材植物人造板也基本是套用木材人造板的設(shè)備流程，但對(duì)于一些特殊材料，如稻殼、竹材、蔗渣等，需要對(duì)材料進(jìn)行特殊處理，相應(yīng)設(shè)備的革新也必不可少。我國(guó)目前非木材植物人造板設(shè)備在關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新層面與國(guó)際水平還存在一定的差距，處于追蹤和模仿階段，有待增強(qiáng)自己的核心技術(shù)。

3.2 展望

從生產(chǎn)規(guī)模以及市場(chǎng)需求來看，我國(guó)是非木材植物人造板生產(chǎn)大國(guó)，非木材植物人造板發(fā)展?jié)摿艽?，但仍存在許多問題。普通民眾對(duì)于非木材植物人造板的了解甚少，甚至對(duì)其有誤解，相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)非木材植物人造板的宣傳，才能使廣大消費(fèi)者以及農(nóng)作物種植者在意愿上接受非木材植物人造板并提供原料。同時(shí)，相關(guān)設(shè)備廠商也應(yīng)加大力度開展對(duì)一些特殊工藝設(shè)備的創(chuàng)新性研發(fā)，開發(fā)新型設(shè)備，并對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，以適應(yīng)非木材植物人造板的生產(chǎn)。政府也要加大扶持相關(guān)產(chǎn)業(yè)的力度，如通過稅收政策等鼓勵(lì)非木材植物人造板廠商建立完善的企業(yè)生產(chǎn)模式。只有各方面積極配合協(xié)同發(fā)展，我國(guó)非木材植物人造板才能夠發(fā)展成兼具經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益以及社會(huì)效益的產(chǎn)業(yè)，才能具有光明的前景。