蘆葦纖維材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢*

王 齊 李晨琦 張雪松 王春明 潘宇峰 蘇 蕓

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

我國是木材嚴(yán)重短缺的國家，近年來我國加大了對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的力度，森林面積正在不斷擴(kuò)大，但可在森林消耗方面的控制及日趨嚴(yán)格的環(huán)保政策，木材資源實施天保工程禁止木材的采伐，造成木材嚴(yán)重短缺，進(jìn)口木材比例升高。當(dāng)前，我國人造板與木制品行業(yè)不斷提升產(chǎn)值產(chǎn)量來滿足客戶的需求[1]。如何高效利用木材資源成為木材企業(yè)首要考慮的問題，尋找木材的替代材料也是解決木材資源匱乏的有效途徑之一。目前，我國已從宏觀政策上大力支持木材企業(yè)進(jìn)行非木質(zhì)植物纖維復(fù)合材料的研發(fā)與生產(chǎn)，這將促使相關(guān)木材生產(chǎn)企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品類型，應(yīng)用新型工藝。

1 生物質(zhì)材料蘆葦利用的可行性分析

蘆葦具備可再生、可降解和無污染等優(yōu)點，其莖稈堅韌，纖維長、木質(zhì)素含量高，有優(yōu)良的耐水性、抗病性、柔韌性，使蘆葦在制造某些產(chǎn)品時可代替木材，在制造紙張、人造板時可以作為主要的原料。蘆葦在我國分布廣泛，目前面積1 千多萬畝，產(chǎn)量高，分布北從黑龍江的三江平原，南至湖南的洞庭湖畔，集中分布于東北、華北、西北地區(qū)，并處于一種無序的生產(chǎn)狀態(tài)，蓄積量較大。

當(dāng)前，受國外低價紙漿、環(huán)保等因素影響，以蘆葦為原料的造紙廠陸續(xù)關(guān)閉，而人造板產(chǎn)業(yè)正在尋找木材的可替代非木質(zhì)植物纖維資源，特別是在我國封山育林政策的重要階段，如何利用現(xiàn)有資源，讓其真正做到材盡其用，是我們追求的目標(biāo)。目前，如何充分利用蘆葦資源把生態(tài)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，是我們重要的產(chǎn)業(yè)拓展新方向?；谔J葦為原料的生物質(zhì)材料人造板、重組材料產(chǎn)業(yè)在我國具備了資源、地理優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，開發(fā)利用蘆葦這一豐富生物質(zhì)資源進(jìn)行人造板和非木質(zhì)重組成材工藝研究，具有十分廣闊的研究前景，不僅可以調(diào)整木制品企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以提高植物基復(fù)合材料產(chǎn)品的種類，并帶動上下游產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

2 以蘆葦纖維材料為原料的板材主要應(yīng)用及行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國以蘆葦纖維為原材料的復(fù)合材料的生產(chǎn)中，主要是以蘆葦人造板為主，利用的是蘆葦莖稈，由于其莖稈纖維堅韌、纖維含量高達(dá)4%~60%，顏色自然，集成時可預(yù)置紋理，適合制作優(yōu)質(zhì)的非結(jié)構(gòu)性裝飾材料以及結(jié)構(gòu)性支撐材料。蘆葦在集成加工與木材集成加工工藝有很多不同之處，由于葦稈表面附著的硅質(zhì)及內(nèi)壁存在一定量的絮狀物，且蘆葦中含有少量糖分，使得蘆葦加工過程中膠黏劑的選擇具有特殊性，這些都是影響蘆葦材料膠合性能及復(fù)合成材力學(xué)性能的重要因素[2]。在蘆葦纖維人造板研究中往往采取對蘆葦表面硅質(zhì)完全溶解脫硅的方式或以異氰酸酯[3]作為唯一的選擇。實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的脫硅方法和膠合方法不僅浪費大量的水資源，還會增加有害化學(xué)品的排放，同時由于強(qiáng)堿液長時間的高溫作用也大大降低了蘆葦纖維原有的強(qiáng)度及自身的拉伸力等物理性能[3]。同時異氰酸酯膠黏劑的價格會加大制造成本，致使這一優(yōu)質(zhì)材料一直沒有得到充分有效的利用。

目前蘆葦人造板制造工藝有兩種：一種是蘆葦刨花板[4]。目前部分研究生產(chǎn)采用單純地將蘆葦材料打碎成碎料單元，分離薄壁組織，剩下纖維材料制成了刨花板。在國內(nèi)以往的研究中發(fā)現(xiàn)，將蘆葦材料打碎的刨花尺寸越小，蘆葦刨花板的物理性能越好，才有利于碎料之間的膠合[5]；在膠合過程中發(fā)現(xiàn)，蘆葦碎料的膠合界面大于木材刨花的膠合界面。但植物復(fù)合材料的強(qiáng)度取決于盡可能不被破壞的植物纖維，當(dāng)纖維被打碎成纖維長度小于10 cm 時，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度就會大大降低，就像同規(guī)格的木材碎料復(fù)合材料和實體木材抗彎強(qiáng)度會大打折扣一樣。

第二種是蘆葦纖維板。王新洲[6]等人研究了蘆葦作為纖維板原料的特性。結(jié)果顯示，蘆葦?shù)睦w維率達(dá)到了87.4%，說明蘆葦是一種可代替木材來制造纖維板的原料。蘆葦纖維板是將蘆葦莖稈加工刨片后進(jìn)行熱磨處理獲得蘆葦纖維，來制備蘆葦纖維板。其中長纖維含量越大，纖維板的交織性能就越好，能夠提升板材的力學(xué)強(qiáng)度。但是蘆葦莖稈表面存在蠟質(zhì)層，這是一種硅量及脂肪類含量較高的物質(zhì)，使板材潤濕性能差，從而導(dǎo)致板材難以膠合。通過加入硅烷偶聯(lián)劑，可以改善板材的潤濕性能；還可以將蘆葦纖維碎料進(jìn)行改性處理，如蒸汽處理、水煮、等離子體處理等來改善原料與膠黏劑之間的作用，從而達(dá)到良好的膠合性能。

蘆葦表面有一層樹脂層和硅質(zhì)層，常規(guī)樹脂膠對該層薄膜滲透力差，難以有效膠合，故生產(chǎn)工藝與木材也存在差異。目前技術(shù)工藝對蘆葦復(fù)合材料的制備限制了產(chǎn)品的質(zhì)量，以上兩種方法對蘆葦材料表面脫硅、脫糖及絮狀葦膜的篩除處理上只是將蘆葦長纖維打碎，從而破壞了纖維強(qiáng)度，造成得到材料性能差、成本高、技術(shù)應(yīng)用受限、施膠量大，增加了材料中有害成分的釋放。同時蘆葦材料的利用率也較低，成為阻礙蘆葦材料利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。因此，以蘆葦纖維與膠黏劑之間的膠合問題可以通過一些特殊的處理方法得到解決，例如對蘆葦材料進(jìn)行預(yù)處理、改變膠黏劑的配方等，通過這些方法，可以使蘆葦與低成本膠黏劑之間形成有效的膠合，進(jìn)而生產(chǎn)出高性能的蘆葦板材。

3 蘆葦纖維材創(chuàng)新發(fā)展趨勢

在前期以蘆葦為基材的人造板研究基礎(chǔ)上，蘆葦纖維材料研究發(fā)展具有更多的可能性。在人造纖維板和刨花板的基礎(chǔ)上，可加入不同的纖維材料或其他復(fù)合材料制作出新型復(fù)合材料。當(dāng)前，研究人員通過有效利用蘆葦天然植物纖維材質(zhì)的耐腐、保溫、隔聲、耐水、韌性等性能特點，將蘆葦用作新結(jié)構(gòu)人造板功能性組織材料或某一層級輔助材料，例如水泥/石膏蘆葦纖維復(fù)合材料板材、蘆葦纖維增塑熱塑性復(fù)合材料、蘆葦纖維聚氯乙烯復(fù)合材料等等。

同時可通過其完整的纖維組織加工成蘆葦纖維重組材，通過對蘆葦纖維的原料疏解及表面處理、輔助材料以酚醛樹脂膠黏劑為主，施膠量預(yù)計為8%~12%、經(jīng)過熱壓成型等工藝生產(chǎn)技術(shù)，研究制造出具有與木質(zhì)材料相似的一種新型蘆葦基重組成材的植物基環(huán)保材料。這種新加工工藝可減少對木材的依賴，工藝連續(xù)性強(qiáng)，自動化程度高，性價比高于傳統(tǒng)木質(zhì)基材重組成材?，F(xiàn)今經(jīng)過30 年的對于蘆葦基等非木質(zhì)植物纖維重組成材的研究方興未艾[7]，盡管重組竹與重組木為蘆葦基重組成材提供了研究方向，但尚未建立基礎(chǔ)理論體系和工藝技術(shù)系統(tǒng)。

4 結(jié)論與建議

雖然蘆葦纖維材料可以作為功能性材料基材及重組材，也是我國重要的碳固化、碳遷移的重要發(fā)展方向之一[8]。但是在現(xiàn)實研發(fā)與生產(chǎn)過程中，受到諸多材料特性的干擾和限制。我們需建立基礎(chǔ)理論體系、工藝技術(shù)系統(tǒng)及科學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)，同時對不同產(chǎn)品檢測方式重新規(guī)劃。在整個系統(tǒng)完善后，對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國家林業(yè)產(chǎn)業(yè)政策的充分實施，環(huán)保效益及木材資源的替代有著不可估量的作用。不僅能帶來極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也能緩解當(dāng)前優(yōu)質(zhì)木材短缺的現(xiàn)狀，使這一具有高強(qiáng)纖維特性優(yōu)勢的天然低廉材料得到高價值利用[9]。并在生產(chǎn)環(huán)保、低碳、高附加值產(chǎn)品完全符合我國有關(guān)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)六方面內(nèi)容中關(guān)于提高能效節(jié)約能源、優(yōu)化和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技創(chuàng)新的政策。

綜上所述，蘆葦重組材的出現(xiàn)完全符合我國當(dāng)前的科技發(fā)展和市場需求，以非木質(zhì)植物原料為基材的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景[10]，進(jìn)而為推動我國木制品行業(yè)的發(fā)展轉(zhuǎn)型提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，并對我國的環(huán)保事業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。