室外用木質(zhì)復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)分析

衛(wèi)佩行 王建和

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 句容 212400；2 西南林業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

CO2等溫室氣體可能引發(fā)全球氣候變化[1]，而森林是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的貯碳庫，木材是這一碳庫的主要組成部分[2]。相較于水泥和鋼材，木材不僅在生長過程中固碳，且在生產(chǎn)加工中耗能更低、碳排放更少。因而，木質(zhì)材料將在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中發(fā)揮重要作用。推廣使用木質(zhì)材料，替代高能耗、難降解材料，是低碳發(fā)展的一個(gè)方向[3-5]。

木材的主要化學(xué)組分是起骨架作用的纖維素、填充作用的半纖維素和粘結(jié)物質(zhì)的木質(zhì)素，這些成分是木腐菌等微生物的食物來源，因而木材在使用過程中易遭受木腐菌的侵襲，導(dǎo)致力學(xué)性能下降[6]。此外，與室內(nèi)使用環(huán)境不同，室外環(huán)境更為復(fù)雜，如長期紫外線照射會(huì)使木材發(fā)生光降解[7]；雨水侵蝕會(huì)造成木材翹曲、變形、開裂等問題[8]。

為延長木材在室外使用壽命，需要采取一定措施對(duì)木材進(jìn)行處理。在此領(lǐng)域，研究者進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，開發(fā)了防腐木、炭化木、重組木和木塑復(fù)合材料等四種常見室外用木質(zhì)材料，前兩種屬于木質(zhì)改性材料，后兩種屬于木質(zhì)復(fù)合材料。本文旨在重點(diǎn)對(duì)重組木和木塑復(fù)合材料兩種復(fù)合木質(zhì)材料的制備方法、防腐效果以及使用性能進(jìn)行梳理和分析，同時(shí)也總結(jié)了國外應(yīng)用廣泛但國內(nèi)較少使用的室外用刨花板和中密度纖維板的關(guān)鍵技術(shù)，以期為開發(fā)性價(jià)比高的新型室外用木質(zhì)復(fù)合材料提供參考。

1 重組木

重組木是將枝丫材、小徑材等原料進(jìn)行單元加工后施膠重組成型類似天然木材的木質(zhì)產(chǎn)品，密度較高，是木材小材大用、劣材優(yōu)用有效途徑之一。按木材單元分類，重組木可以分為兩類：傳統(tǒng)重組木和高性能重組木。傳統(tǒng)重組木以小徑級(jí)木材為原料，經(jīng)碾壓疏解后形成縱向排列、橫向相連的木束，施膠后熱壓成型的具有木材紋理的新型木質(zhì)材料[9]。傳統(tǒng)重組木原料充分利用了林業(yè)剩余物，具有較高縱向力學(xué)性能。隨著技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)重組材原料不再限于速生小徑材、枝丫材，也納入了竹材、農(nóng)作物秸稈等[10]，但由于傳統(tǒng)重組木難以精準(zhǔn)控制木材疏解，產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)不穩(wěn)定。

制備傳統(tǒng)重組木時(shí)，新鮮材無需水煮軟化直接疏解，而干木材需要水煮軟化。木材含水率在50%～80%為宜。碾壓次數(shù)以3 次為佳，次數(shù)過少則疏解度低，次數(shù)過多則木纖維斷裂[11]。為保證施膠效果，木束干燥后的含水率控制在10%左右。重組木采用的膠黏劑是低分子量、低黏度的酚醛樹脂膠，可采用負(fù)壓浸膠或正壓噴膠[12]。負(fù)壓浸膠可使膠黏劑滲入細(xì)胞腔甚至細(xì)胞壁，且滲透效果好[13]；正壓噴膠施膠不均勻，但節(jié)約膠量，可降低成本，因而，在生產(chǎn)應(yīng)用中根據(jù)產(chǎn)品性能進(jìn)行調(diào)整施膠方式。增加施膠量可提升重組木的綜合性能，但施膠量超過臨界值后，重組木性能提升效益遞減[14]。同樣，浸膠時(shí)間并非越長越好。組坯方向也會(huì)影響重組木性能。研究表明：平行鋪裝的重組木具有良好的縱向力學(xué)性能和耐水性能，而采用一定角度鋪裝組坯形成的重組木則呈現(xiàn)出橫紋和順紋干縮率小的優(yōu)勢[12]。

基于傳統(tǒng)重組木和單板類人造板生產(chǎn)技術(shù)，以旋切單板為原料進(jìn)行碾壓纖維化疏解，再經(jīng)過類似工藝制備出新型重組木，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)重組木，稱之為高性能重組木[15]。制備高性能重組木的旋切單板厚度非常關(guān)鍵。單板厚度在2～6 mm之間時(shí)，單板厚度越大，重組木力學(xué)性能越低而耐水性提高。當(dāng)單板厚度大于6 mm，產(chǎn)品力學(xué)性能和耐水性能均降低[16]。浸膠前，單板的含水率通常要控制在12%左右。另外，高性能重組木的施膠方式為真空-加壓浸漬的施膠方式[17]。

研究表明：PF樹脂浸漬形成的高性能竹基纖維復(fù)合材料的防腐效果可以達(dá)到強(qiáng)耐腐等級(jí)I級(jí)[18]，通過疏解木質(zhì)單元浸漬PF樹脂后組坯熱壓而成的重組木應(yīng)具有一定的耐腐性能，但關(guān)于重組木防腐性能的研究并不多。根據(jù)前人研究，重組木的防腐性能可通過密度、浸膠量和防腐劑等因素的調(diào)整和添加，達(dá)到戶外用材的耐腐等級(jí)[18]。相比木材及普通木質(zhì)人造板（膠合板、刨花板和中密度纖維板），重組木的密度增加了0.4～1 倍，強(qiáng)度增加了1～7 倍，彈性模量增加了1～6 倍，表現(xiàn)出優(yōu)異的物理力學(xué)性能[18]。

2 木塑復(fù)合材料

木塑復(fù)合材料是以木質(zhì)纖維與高分子樹脂混合并添加偶聯(lián)劑經(jīng)過一系列工藝形成的復(fù)合材料，具有尺寸穩(wěn)定、易加工、耐腐朽等優(yōu)點(diǎn)。影響木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的因素有很多，如木質(zhì)填料（樹種、含水率、含量、尺寸、預(yù)處理等）、熱塑性樹脂（種類及預(yù)處理）、偶聯(lián)劑種類、成型方法及環(huán)境因素等。其中，成型方式是木塑復(fù)合材料生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能具有關(guān)鍵影響。

木塑復(fù)合材料主要有三種成型方式：注塑成型、擠出成型和壓縮成型。不同的加工方式制備的木塑復(fù)合材料性能呈現(xiàn)較大差異[19]。木粉大小也會(huì)影響木塑復(fù)合材料性能，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著粒徑減小呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，沖擊強(qiáng)度也上升至一個(gè)峰值后下降[20]。在一定溫度條件下，木纖維含量越多，木塑復(fù)合材料抗蠕變應(yīng)變能力越強(qiáng)[21]。

近年來，木塑復(fù)合材料加工開始采用共擠出工藝[22]。共擠出木塑復(fù)合材料有兩種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，一種是在木塑復(fù)合材料表層共擠一層功能材料；另一種是在芯層材料（金屬或木材）外表包覆一層木塑復(fù)合材料。此外，在木塑復(fù)合材料加工領(lǐng)域也進(jìn)入了微孔發(fā)泡技術(shù)，有效地提高了強(qiáng)重比。

在木塑復(fù)合材料研發(fā)早期，人們普遍認(rèn)為不易降解的熱塑性塑料與木材粉末按一定比例混合形成的木塑復(fù)合材料是利用樹脂基材包埋木材纖維。因此，即使不加入殺菌劑，樹脂自身的高耐腐性也可以阻止真菌的攻擊，為木塑復(fù)合材料提供足夠的耐腐性能，如李大綱和葉永連在實(shí)驗(yàn)室條件下探討了木塑復(fù)合材料對(duì)白腐菌的耐久性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：木塑復(fù)合材料的耐腐性遠(yuǎn)超木材，重量損失率小于10%[23]。然而，在戶外使用時(shí)，木塑復(fù)合材料會(huì)遭受很多生物因子（如白蟻等）和非生物因子（如紫外線等）的多重危害，其耐腐性并非達(dá)到預(yù)期，且產(chǎn)生老化，使木塑復(fù)合材料力學(xué)性能嚴(yán)重下降[24]。

3 室外用刨花板

目前，刨花板主要用作室內(nèi)裝飾及家具材料等。在室外，以刨花板為原料的地板亦有少量應(yīng)用試驗(yàn)，表現(xiàn)出較好的使用性能[25]。相比木塑復(fù)合材料，室外用刨花板更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，且具有強(qiáng)度高、耐高溫低溫、耐酸堿等性能，可用于室外路面鋪裝。

對(duì)于室外用刨花板，要求其有更高的尺寸穩(wěn)定性。刨花板的主要原料為膠黏劑和木材刨花，可從原料入手提高成品的尺寸穩(wěn)定性。陸仁書等[26]利用單寧膠和興安落葉松制備了室外刨花板，達(dá)到了德國室外刨花板標(biāo)準(zhǔn)。蔡祖善編譯國外文獻(xiàn)顯示，利用桉木碎料與單寧甲醛膠可生產(chǎn)室外級(jí)刨花板[27]。以上兩個(gè)研究案例，皆屬于使用特殊膠黏劑使刨花板達(dá)到室外使用之標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)木材刨花采用預(yù)處理，如采用乙?；幚砟静呐倩āF樹脂浸漬木材刨花、蒸汽預(yù)處理木材刨花等方式對(duì)木材刨花進(jìn)行預(yù)處理[25]，可提高刨花板尺寸穩(wěn)定性。也可以對(duì)刨花板進(jìn)行后期熱處理，在不影響強(qiáng)度的前提下提高刨花板的尺寸穩(wěn)定性[28]。

4 室外用中密度纖維板

中密度纖維板同樣常用于室內(nèi)家具制造，并逐步向戶外拓展，主要用于建筑門窗、掛板、裝修板、活動(dòng)房墻板等場合。由于戶外自然環(huán)境影響，室外用中密度纖維板需要具有防潮、耐水、耐老化等性能[29]。

美國從20 世紀(jì)70 年代開始研究室外用中密度纖維板，并成功開發(fā)出這一新產(chǎn)品[27]。美國林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室以異氰酸酯（MDI）樹脂為膠黏劑制備室外用中密度纖維板，檢測結(jié)果顯示尺寸穩(wěn)定性、抗破壞性能、耐久性等都超過了當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。由于PF樹脂固化后具有優(yōu)越的耐水性，因此歐洲專家采用PF樹脂為膠黏劑制備室外用中密度纖維板，并獲得成功[30-31]。同時(shí)，由于PF樹脂膠合的木質(zhì)材料內(nèi)部具有堿性和殘留酚類物質(zhì)，也賦予了這種板材具有耐腐性能。我國學(xué)者從1988 年開始對(duì)室外用中密度纖維板進(jìn)行研究[32]，研制了PF樹脂中密度纖維板并在北京光華木材廠進(jìn)行了中試生產(chǎn)試驗(yàn)。而福州人造板廠則選用MDI樹脂為膠黏劑制備室外用中密度纖維板，獲得成功[33]。從國內(nèi)外室外用中密度纖維板的相關(guān)研究可看出，這類板材制造的技術(shù)關(guān)鍵在于膠黏劑種類的選用。

5 結(jié)語

綜上所述，室外用木質(zhì)復(fù)合材料雖已得到廣泛應(yīng)用，但仍有諸多問題需要通過進(jìn)一步研發(fā)來解決，如裝飾性、功能性、環(huán)保性等問題，例如重組木面臨著脆性問題以及有機(jī)揮發(fā)物的環(huán)保問題，再加之密度較大，難以發(fā)揮木質(zhì)材料輕質(zhì)高強(qiáng)材料的優(yōu)勢，而木塑復(fù)合材料的耐老化性能差，會(huì)影響到其使用壽命。未來應(yīng)對(duì)室外用木質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行針對(duì)性研究，優(yōu)化工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，持續(xù)改善性能。另外，未來的研究可以考慮將木質(zhì)單元網(wǎng)格化后與改性或雙組分樹脂進(jìn)行復(fù)合，可以在防腐性能、力學(xué)性能和制造成本方面實(shí)現(xiàn)平衡；此外，可考慮對(duì)板材進(jìn)行膨化后再進(jìn)行樹脂浸漬，然后加熱模壓形成室外用新型木塑復(fù)合材料，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品使用范圍進(jìn)行擴(kuò)展；也可以考慮在板材制備時(shí)，采用PF改性的UF樹脂或MF改性的UF樹脂或MDI改性UF樹脂，降低成本的同時(shí)保證環(huán)保性能。