木塑复合材料应用不断增长是必然趋势

社会发展对木材的需求不断增加，而森林生长的速度已经不能满足需求，这倒逼木材行业不断创新和探索。

近日，中科院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）生物基聚合物团队利用植物秸秆等纤维复合材料制备出类木复合材料。 宁波材料所团队带头人、研究员朱进告诉中国科学报，“我们与企业合作开发了一种工艺，不仅可以解决农村秸秆大规模焚烧的问题，还希望将农业转化为农业和农业生产。” 林业废弃物变废为宝。”

 

寻找木材的替代品

如今，通过砍伐森林获得的圆木数量正在减少，导致木材工业中人造板的出现。 所谓人造板是以杨树、桉树等速生树种以及其他生长周期短的树种为原料，切成木单板或用碎木制成木纤维而制成的。 然后使用粘合剂将它们粘合成板。

人造板的制造方法灵活且成本低廉，几乎可以满足人们的日常需求。 据中国木材与木制品流通协会信息中心统计，2017年我国人造板年产量超过3亿立方米。

然而，由于有机粘合剂的存在，人造板经常释放甲醛。 当前，甲醛污染已成为社会关注的焦点。

“虽然人造板比圆木增加了加工灵活性，但其成型工艺仅限于生产简单部件，无法生产像塑料那样复杂的部件。” 朱进发现，高分子科学家此前通过在塑料中填充木粉获得了一种新型木塑复合材料。 近20年来，木塑复合材料因其塑料加工的优势和木材的美观而得到迅速发展。

新的问题也出现了。 “木塑复合材料填充木粉，填充量一般低于60%，其力学性能达不到木材的要求，容易出现翘曲、变形等严重问题。” 朱进表示，木塑复合材料还不能真正满足木材的需求，实现替代木材的目标。

从结构上来说，木材的微观结构是一种纤维复合材料。 我国纤维复合材料的历史甚至可以追溯到远古时代。 古人用稻草或麦草加固粘土来建造房屋，这是纤维复合材料的一种利用。 朱进说，“稻草、麦秆收集和处理困难，容易腐败、燃烧、吸水，在现代复合材料中很难再看到它们的身影。”

“基于木材的纹理结构，我们能否开发出一种真正能够替代木材的新型类木复合材料？” 朱进带领生物基聚合物团队开始了新的尝试。

 

克服材料技术挑战

人造板和木塑都需要木材作为原材料。 “2017年，中国木材进口依存度已达60%以上。” 朱进团队提出了利用一年生草本植物纤维，如大麻纤维、竹纤维等作为纤维结构与塑料相结合，制造出具有纤维结构的类木复合材料的想法。 “这将彻底解决人类对木材的依赖。”

“由于各种植物纤维相对于高分子树脂的价格较低，这些复合材料的成本也会低于目前的塑料树脂。不过，朱进的研究发现，要在植物纤维材料上开发利用 大规模化，需要克服材料技术的层层挑战”。

由于植物纤维的亲水性强，其与疏水性聚合物树脂的相容性较差，导致最终的复合材料表现出明显的脆性。

生物基聚合物团队的应对计划是使用兼容的添加剂。 通过选择相容性添加剂，可以有效改善亲水性植物纤维与疏水性聚合物树脂之间的相容性，最终制备出高强度、高模量的植物纤维增强聚合物复合材料。

然而，随着植物纤维含量的增加，植物纤维高分子复合材料表面容易形成各种缺陷。 例如，在挤出成型中

生产过程中，如果流动性差，可能会出现无法连续挤出、挤出后形状不稳定等问题。 朱进团队的解决方案是采用“内润滑”和“外润滑”的复合润滑系统来制备外观复杂、流动性要求特别高的汽车零部件，同时也成功实现了板材的连续挤压。

 

此外，植物纤维和普通塑料都属于易燃材料，目前植物纤维复合材料的阻燃问题也是一大挑战。

“其他研究团队通过用有机溶剂或碱性溶液处理纤维来实现阻燃。但这种路径不仅在环境处理方面耗时耗力，而且还增加了很多额外成本。” 朱进介绍了他们的生物基聚合物团队利用植物纤维和树脂基体的分步阻燃方案：对两者分别进行阻燃处理。 经过科学的阻燃评价，高填充植物纤维复合材料达到了V0级阻燃能力。

加工和制备类木材料

 

目前植物纤维的制备和加工也面临三个挑战，即如何集中收集、如何高效粉碎以及如何与树脂基体均匀混合。 以秸秆为例，朱进表示，秸秆的收集成本较高，杂质较多，最终综合利用也比较困难。 农业机械设备可以对这类秸秆进行初步粉碎，但其精细度与复合材料的制备相比还相差甚远。

朱进带领的团队通过研究发现，要解决上述问题，首先需要设备小型化，可以在一定地理范围内的多个地点进行生产，实现纤维加工，甚至复合材料的制备； 其次，应该有一种高效的纤维破碎方法，通过破碎过程将秸秆或大麻纤维中的微纤维从主茎中分离出来； 最后，该设备需要非常强的共混和搅拌扭矩才能将高含量植物纤维与塑料树脂充分共混。

为此，宁波材料所，开发出一款高速共混设备，可以一步解决上述问题。 朱进说，“该设备可以成功制备植物纤维填充含量高达80%的热塑性复合材料，通过原料混合、自动切割形成的复合材料颗粒可以通过常规塑料成型工艺生产。”

 

高含量的植物纤维保证了复合材料的高强度，与木材相似。 因此，高含量植物纤维高分子材料又被称为类木复合材料。 此类仿木复合材料比木材、人造板、单一塑料、传统木塑具有更好的综合性能。

朱进表示，随着研究和营销的深入，仿木制品很快就会走进市场，走进千家万户。 这样，木材的发展实现了从原木到人造板，再到模仿木材的一年生草本植物的时代，使人类摆脱了对木材的依赖，实现了木材的可持续发展。