社會(huì)發(fā)展對(duì)木材的需求不斷增加，而森林生長(zhǎng)的速度已經(jīng)不能滿足需求，這倒逼木材行業(yè)不斷創(chuàng)新和探索。

近日，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡(jiǎn)稱寧波材料所）生物基聚合物團(tuán)隊(duì)利用植物秸稈等纖維復(fù)合材料制備出類木復(fù)合材料。 寧波材料所團(tuán)隊(duì)帶頭人、研究員朱進(jìn)告訴中國(guó)科學(xué)報(bào)，“我們與企業(yè)合作開發(fā)了一種工藝，不僅可以解決農(nóng)村秸稈大規(guī)模焚燒的問題，還希望將農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。” 林業(yè)廢棄物變廢為寶。”

尋找木材的替代品

如今，通過砍伐森林獲得的圓木數(shù)量正在減少，導(dǎo)致木材工業(yè)中人造板的出現(xiàn)。 所謂人造板是以楊樹、桉樹等速生樹種以及其他生長(zhǎng)周期短的樹種為原料，切成木單板或用碎木制成木纖維而制成的。 然后使用粘合劑將它們粘合成板。

人造板的制造方法靈活且成本低廉，幾乎可以滿足人們的日常需求。 據(jù)中國(guó)木材與木制品流通協(xié)會(huì)信息中心統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)人造板年產(chǎn)量超過3億立方米。

然而，由于有機(jī)粘合劑的存在，人造板經(jīng)常釋放甲醛。 當(dāng)前，甲醛污染已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。

“雖然人造板比圓木增加了加工靈活性，但其成型工藝僅限于生產(chǎn)簡(jiǎn)單部件，無法生產(chǎn)像塑料那樣復(fù)雜的部件。” 朱進(jìn)發(fā)現(xiàn)，高分子科學(xué)家此前通過在塑料中填充木粉獲得了一種新型木塑復(fù)合材料。 近20年來，木塑復(fù)合材料因其塑料加工的優(yōu)勢(shì)和木材的美觀而得到迅速發(fā)展。

新的問題也出現(xiàn)了。 “木塑復(fù)合材料填充木粉，填充量一般低于60%，其力學(xué)性能達(dá)不到木材的要求，容易出現(xiàn)翹曲、變形等嚴(yán)重問題。” 朱進(jìn)表示，木塑復(fù)合材料還不能真正滿足木材的需求，實(shí)現(xiàn)替代木材的目標(biāo)。

從結(jié)構(gòu)上來說，木材的微觀結(jié)構(gòu)是一種纖維復(fù)合材料。 我國(guó)纖維復(fù)合材料的歷史甚至可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。 古人用稻草或麥草加固粘土來建造房屋，這是纖維復(fù)合材料的一種利用。 朱進(jìn)說，“稻草、麥稈收集和處理困難，容易腐敗、燃燒、吸水，在現(xiàn)代復(fù)合材料中很難再看到它們的身影。”

“基于木材的紋理結(jié)構(gòu)，我們能否開發(fā)出一種真正能夠替代木材的新型類木復(fù)合材料？” 朱進(jìn)帶領(lǐng)生物基聚合物團(tuán)隊(duì)開始了新的嘗試。

克服材料技術(shù)挑戰(zhàn)

人造板和木塑都需要木材作為原材料。 “2017年，中國(guó)木材進(jìn)口依存度已達(dá)60%以上。” 朱進(jìn)團(tuán)隊(duì)提出了利用一年生草本植物纖維，如大麻纖維、竹纖維等作為纖維結(jié)構(gòu)與塑料相結(jié)合，制造出具有纖維結(jié)構(gòu)的類木復(fù)合材料的想法。 “這將徹底解決人類對(duì)木材的依賴。”

“由于各種植物纖維相對(duì)于高分子樹脂的價(jià)格較低，這些復(fù)合材料的成本也會(huì)低于目前的塑料樹脂。不過，朱進(jìn)的研究發(fā)現(xiàn)，要在植物纖維材料上開發(fā)利用 大規(guī)模化，需要克服材料技術(shù)的層層挑戰(zhàn)”。

由于植物纖維的親水性強(qiáng)，其與疏水性聚合物樹脂的相容性較差，導(dǎo)致最終的復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的脆性。

生物基聚合物團(tuán)隊(duì)的應(yīng)對(duì)計(jì)劃是使用兼容的添加劑。 通過選擇相容性添加劑，可以有效改善親水性植物纖維與疏水性聚合物樹脂之間的相容性，最終制備出高強(qiáng)度、高模量的植物纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料。

然而，隨著植物纖維含量的增加，植物纖維高分子復(fù)合材料表面容易形成各種缺陷。 例如，在擠出成型中

生產(chǎn)過程中，如果流動(dòng)性差，可能會(huì)出現(xiàn)無法連續(xù)擠出、擠出后形狀不穩(wěn)定等問題。 朱進(jìn)團(tuán)隊(duì)的解決方案是采用“內(nèi)潤(rùn)滑”和“外潤(rùn)滑”的復(fù)合潤(rùn)滑系統(tǒng)來制備外觀復(fù)雜、流動(dòng)性要求特別高的汽車零部件，同時(shí)也成功實(shí)現(xiàn)了板材的連續(xù)擠壓。

此外，植物纖維和普通塑料都屬于易燃材料，目前植物纖維復(fù)合材料的阻燃問題也是一大挑戰(zhàn)。

“其他研究團(tuán)隊(duì)通過用有機(jī)溶劑或堿性溶液處理纖維來實(shí)現(xiàn)阻燃。但這種路徑不僅在環(huán)境處理方面耗時(shí)耗力，而且還增加了很多額外成本。” 朱進(jìn)介紹了他們的生物基聚合物團(tuán)隊(duì)利用植物纖維和樹脂基體的分步阻燃方案：對(duì)兩者分別進(jìn)行阻燃處理。 經(jīng)過科學(xué)的阻燃評(píng)價(jià)，高填充植物纖維復(fù)合材料達(dá)到了V0級(jí)阻燃能力。

加工和制備類木材料

目前植物纖維的制備和加工也面臨三個(gè)挑戰(zhàn)，即如何集中收集、如何高效粉碎以及如何與樹脂基體均勻混合。 以秸稈為例，朱進(jìn)表示，秸稈的收集成本較高，雜質(zhì)較多，最終綜合利用也比較困難。 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備可以對(duì)這類秸稈進(jìn)行初步粉碎，但其精細(xì)度與復(fù)合材料的制備相比還相差甚遠(yuǎn)。

朱進(jìn)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)通過研究發(fā)現(xiàn)，要解決上述問題，首先需要設(shè)備小型化，可以在一定地理范圍內(nèi)的多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)纖維加工，甚至復(fù)合材料的制備； 其次，應(yīng)該有一種高效的纖維破碎方法，通過破碎過程將秸稈或大麻纖維中的微纖維從主莖中分離出來； 最后，該設(shè)備需要非常強(qiáng)的共混和攪拌扭矩才能將高含量植物纖維與塑料樹脂充分共混。

為此，寧波材料所，開發(fā)出一款高速共混設(shè)備，可以一步解決上述問題。 朱進(jìn)說，“該設(shè)備可以成功制備植物纖維填充含量高達(dá)80%的熱塑性復(fù)合材料，通過原料混合、自動(dòng)切割形成的復(fù)合材料顆?？梢酝ㄟ^常規(guī)塑料成型工藝生產(chǎn)。”

高含量的植物纖維保證了復(fù)合材料的高強(qiáng)度，與木材相似。 因此，高含量植物纖維高分子材料又被稱為類木復(fù)合材料。 此類仿木復(fù)合材料比木材、人造板、單一塑料、傳統(tǒng)木塑具有更好的綜合性能。

朱進(jìn)表示，隨著研究和營(yíng)銷的深入，仿木制品很快就會(huì)走進(jìn)市場(chǎng)，走進(jìn)千家萬戶。 這樣，木材的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了從原木到人造板，再到模仿木材的一年生草本植物的時(shí)代，使人類擺脫了對(duì)木材的依賴，實(shí)現(xiàn)了木材的可持續(xù)發(fā)展。