木材對環境保護的響應特性和低碳加工分析1)

李 堅

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

1 二氧化碳排放與低碳經濟

隨著人類經濟社會的飛躍發展，現代工業生產和生活方式造成了二氧化碳的大量排放，超量的二氧化碳是溫室氣體的主要組成部分，由此引發“溫室效應”，導致全球氣候變暖。據統計資料記載，在20世紀的100 a中，人類共消耗2650億t煤炭、1420億t石油，同時排放出大量的溫室氣體，使大氣中二氧化碳質量濃度在20世紀初的不到300 mg/L上升到目前的接近 400 mg/L［1］。

若不采取有效的應對措施，如此發展下去，預計在未來20 a中，氣溫約將以0.02℃/a的速度升高［2］。氣溫的不斷升高，嚴重破壞著自然生態系統，嚴重威脅地球上賴以生存的人類和生物體的安全。由此，在人類生產、生活及所從事的一切生命活動中，必須采取有效措施，堅持不懈地減少向大氣碳庫中排放二氧化碳等溫室氣體。目前，我國正處于工業化高速發展時期，能源消費處于“高碳消耗”狀態。在人們重新審視以往的生產和生活方式的時候，當人們歷經著氣候的極端變化的時候，愈來愈多的企業和國民開始接受“低碳經濟”的理念、轉變經濟發展方式的“低碳產業”的變革，以及減少自然災害，保障環境友好、人體健康的“低碳生活”，等等。

所謂低碳經濟是指以低消耗、低排放、低污染為基礎的綠色經濟。以應對碳基能源對于氣候變暖影響為基本要求，以實現經濟社會的可持續發展為基本目的。低碳經濟的實質在于提升和應用能效技術、節能技術、可再生能源技術、溫室氣體減排和儲存技術，以促進產品的低碳開發和維持全球的生態平衡。這是從高碳能源時代向低碳能源時代演化的一種經濟發展模式［3］。我國政府十分重視中國經濟社會發展方式，由高碳經濟向低碳經濟的轉變。2007年9月8日，胡錦濤總書記在APEC會議上，向與會各國提出“發展低碳經濟，努力建設資源節約型、環境友好型社會”的建議，得到了各國政要的認同和響應。低碳經濟之所以受到世界各國的普遍關注，這與全球環境問題的日益突出有著密切的關系。

2 木材的多R特性與環境響應

木材是樹木在天然環境中生長形成的一種綠色材料，是森林生態系統中儲量巨大的一種生物質。

樹木在生長過程中，作為“生產者”(有生命部分)和環境(無生命部分)共處于一個生態系統之中。它們之間有著天然的密不可分的關聯。樹木被采伐后，其木質部就是木材。木材仍可視為是樹木生命的延伸。因為木材保留著生長時形成的生物結構以及色、氣、質、紋等天然形成的品質。與其它材料相比，木材擁有與環境和諧、永續利用和實現節能減排，利于經濟社會可持續發展的多R特性。

2.1 “4R”的由來與意義

日本曾在1990年提出發展3R型社會的基本方針，旨在通過節省資源(Reduce)、廢舊產品再使用(Reuse)、廢棄物再資源化(Recycle)，實現資源的循環利用，并且已經取得了很大的進展，積累了成功的經驗。

繼3R(Reduce、Reuse和Recycle)之后，中國香港環保署提出了“環保4R”是以4個R為首的環保守則，又稱為環保四用，是用來解決環境問題的四個原則。至于第四個R有不同的說法:有的認為應該是“Replace”(替代)，也有認為應該是“Recovery”(回收再用)。國際公認的環保“4R”是:Reduce(減少使用量)、Reuse(重復使用)、Recycle(循環使用或重制再用)和Recovery(回收再用，回收能源或改變化學性質再用)，其主要用意是遵守“4R”守則，實現廢棄物的回收利用，既創造新的價值，又減少了對環境的污染，保持節約、清潔的社會形象。

環保“4R”的內涵和意義如下:

Reduce——減少用量。例如:選擇雙面影印與打印，并采用電子通訊方式，從而減少用紙量。

Reuse——重復使用。例如:將包裝物料(例如紙箱、膠袋等)重復再用，要求供應商收回包裝材料，清潔或修繕后反復使用，不要用一次就丟棄;重復再用設備零件與裝置，以及修補家具等，以減少制造廢物。

Recycle——循環使用或重制再用。是指收集本來要廢棄的材料，分解再制成新產品，或者是收集用過的產品，清潔、處理之后再出售。就是把使用過的物品經過再一次處理后成為新的產品，像再生紙、再生玻璃，就是最好的例子。

Recovery——回收再用。主指回收能源或改變其化學性質再利用。可從垃圾中找回可利用的資源，經處理后再用。例如:豬、牛等動物的排泄物可以制成肥料或燃料。

出自于要減少污染的最終目的，也有人認為“3R”和“4R”還不夠完全，應該增加Repair和Refuse。Repair(再修復)也就是要重視維修保養，延長物品使用壽命。Refuse(拒絕使用)拒用無環保觀念產品。例如:拒用一次性筷子。因為要消耗竹材或木材，而且一次性筷子并不衛生，運送過程加入防腐劑，制程中加入二氧化硫或雙氧水漂白，長期使用可能影響身體健康。拒用塑膠袋。塑膠袋曾經被稱為萬年垃圾，難于自然界中分解。

上面所描述的用于環境保護的“4R”守則，其目的是將污染減到最低，同時又充分利用了廢棄物資源。

2.2 木材加工的設計理念

比對環保“4R”守則，依據家具等木制品設計、木結構住宅等建筑設計及其構建人居微環境的設計理念，人們會領悟到在人類生活和工業利用中，以木材為原料，與環保“4R”的理念和意義有多么相似!木材的性質和行為與環境保護的目的和要求有著高度的響應性。

以木材或木質材料(如竹材、人造板等)為原料制造家具和室內設計，遵循“綠色設計”的理念。綠色設計理念是20世紀80年代在世界范圍內提出，并迅速在多領域設計部門予以重視和實行。如:建筑及室內設計、家具設計、產品設計、包裝設計等。其主要設計原則:節省能源，即著力從節約資源的角度開發產品和服務，如對節能、節水、節材等技術研究成果的應用;降低污染，即通過著力于減少、消除污染的途徑開發產品和服務，如無氟冰箱、無鉛油墨、綠色包裝等;回收及再利用，即實施綠色設計，使產品可以翻新和循環利用，最大限度減少丟棄物，變廢為寶，最有效地綜合利用資源;消除污染，即著力于凈化生態環境、提高生活質量而開發產品與服務。我國著名的家具與室內設計專家胡景初指出，“4R”理念屬于綠色設計的一種設計方法，符合信息社會，使現代家具設計體現高新技術，又是以環境和環境資源保護為核心，以保護人類生態環境、維護人類身體健康為目的的設計理念及行為。這一設計是基于人們工業化發展中對能源浪費、環境污染、生態破壞的認識。“4R”是由英文的 Recovery、Recycle、Reuse和 Reduce四個詞的第一個字母組合而來，這四個詞的詞意構成了現代環保設計(即綠色設計)的內涵之一。這種設計方法充分考慮產品原材料的特性和產品各部分零件容易拆卸，使產品廢棄時能將其材料或未損壞的零部件進行回收、再循環或再利用。“減量”的含義是:在設計開發之初，盡量減少資源的使用量，將生產產品所需材料降到最低限度。在造型設計時要盡量做到簡潔、明快、適度，細部設計要質樸而不乏精致，體現出高雅的設計品味;在包裝設計上要避免過分奢華和超過產品自身價值，以合理滿足產品的保護、運輸及消費者審美需求為宜。把綠色設計的4R理念作為產品生產策略，將為企業創造一個“量少、質精和避免對環境造成污染”的綠色設計的文化。

一般而言，一件同時具有實用性和宜人性的物品必須滿足健康、安全和環境的標準要求。對產品設計的研究不僅要考慮產品的實效設計，而且還要強調它所放置的環境，勢必要考慮到利用有限而珍貴的地球資源，循環利用再生材料和可持續發展等問題［4］。

2.3 木材性質響應“4R”守則

比較環保“4R”守則的內涵和目的，木材及木質材料的利用比相同場合下使用的表現同一用途的其它材料更適應“4R”守則。就木材而言，還具有與另外2“R”(regrowth、replace)響應的特點。下面具體闡述木材加工、利用時所具有的多“R”行為和效果。

Reduce:木材易于加工。木材是一種硬度低、密度小、多孔性的植物纖維材料，具有良好的加工性能。對它可以進行任何形式的機械加工、功能性化學加工和表面裝飾，在彼此之間及與其他材料之間容易進行良好的多種形式的連接，可以成型為家具、各種各樣的木材制品及其木結構建筑等;應用高新技術和現代加工設備可以獲得低消耗(資源、能量，加工費用等)、無污染和質量高的產品。木材的強質比高。強質比是材料的極限強度與密度的比值。木材的強質比較一般工程材料大。例如，與鋼同樣斷面的樺木，強度相當于鋼的1/5～1/4，而質量只為鋼的1/15。木材強質比的這個特點，使它很適合做結構用材。因木材細胞壁物質呈薄殼狀分散分布，這對木材的彎曲剛度有重要作用。一定量的材料排列成散布的管狀結構就會大大地增加梁、柱用材的彎曲抗力。所以，在長梁和柱的應用中木材比其它實心結構材料的剛性指標好［5－6］。

由于木材具有易于加工、強質比高的特點，自然會在加工利用中達到資源用量少和成品效率高的要求。

Reuse:最明了的例子——比如家里用過的塑料袋，不要用過一次就丟棄，可以把它洗干凈再用;對木材而言，這一方面就更具優勢了。使用多年的家具、木制品、木地板、木天棚及木壁板等，可以通過砂光、涂飾或簡單修補等方法使之煥然一新，重復使用會使人愛不釋手，這是其它一些材料所不能比擬的。由于木材極易進行各種修補性的加工，不但使原來的產品可以重復使用，而且也節省能源的消耗。

Recycle:木質廢棄物具有廣泛的來源，主要有兩大類。第一類產生于加工產品、制品的全過程，主要有森林采伐剩余物、原木造材剩余物、木材加工剩余物(即三剩物)，也包括果殼、核等森林副產品的廢棄物;另一類產生于人們生活中使用后作為垃圾被廢棄的木質制品和木質纖維制品。木質廢棄物的形式也非常復雜，有木屑、鋸末、刨花、板皮、枝丫、截頭、木片、廢舊紙箱、紙板和廢舊木材等，據統計，這些廢棄物甚至可以占到原木材積的50%［7］。如此之多的木質廢棄物，急需全面回收、重制，提高我國木材的綜合利用率和綜合利用的技術水平。隨著科學技術的進步，我國相關領域的科技工作者和生產企業，針對木質廢棄物的形態、尺寸等自身特點全面地進行了多種途徑的重制利用。諸如:利用木質廢棄物制造各種人造板、新型木質復合材料;生產生物質潔凈能源;采用熱解、水解、萃取等方法制造出多種化學精細產品等。這已大大推動了我國林產工業的迅速發展，創造了巨大的經濟價值，保障了國民消費，減少了環境污染。

Recovery:對木質廢棄物而言，其內涵與Recycle相似，只是更有側重于能源回收和經化學處理后再用。與其它類別的廢棄物相比，木材也具有很好的符合度，在此不再贅述。筆者認為，根據木材自身的性質，以下的兩個“R”也順應環境保護的需要，因此可以說木材擁有與環保守則相適應的多R特性。

Replace(替代):以水溶性油漆代替溶劑油漆，以耐用的用具代替用完即棄的物品，盡量選用環保的代替品，例如可天然分解的清潔劑和垃圾袋，并使用毒性較弱的化學物質。

用于同一目的，在選擇使用何種材料時，若比較加工或生產過程中所消耗的能源，木材具有顯明的優勢。研究結果表明:木材與水泥、鋼材、塑料和鋁等材料的代用當量的能源消耗相比，只相當于后者的1/10、1/20、1/30。我國由于技術上的原因，這些材料生產過程中能源消耗比較大，除了水泥以外，木材耗能與其他材料耗能比值更大(表1)［8］。表中可見，木材代替其他原材料節省能源消耗，形成的二氧化碳減排效果成倍數增加。

表1 木材與常規材料能耗比較(相對比值)

Regrowth(再生長):通過植樹造林，加強森林經營管理，增加木材的年生長量，成熟后即可采伐利用，也可實現木材資源的永續利用。木材是四大建材中唯一在自然界可天然生長形成的有機材料，具有與環境友好，有益于人體健康等一系列優良的環境學品質，是人類生活中不可缺少的耐久性好的材料。產品使用的生命周期很長，其廢棄物可以經過不同的處理方法，按照環保“4R”的要求，可重復再用、循環使用，是響應環保守則的首選材料，并且在加工利用時還具有固碳、節能作用。

3 木材儲碳的延伸與低碳加工的必然

木材中含有50%的碳元素。樹木生長時由于光合作用，吸收了大氣中的二氧化碳，經過生物化學作用，形成了有機高分子聚合物，這就是木材的主體。因此，木材的碳儲量豐富，是樹木碳匯的延伸。當木材進行加工、利用時，須采取科學的加工和保護方法，使碳素的儲存繼續穩固，以減少CO2的排放量。目前，世界各國十分重視發展低碳經濟，走“低碳”發展之路。低碳經濟的關鍵是“低碳科技”和“低碳產業”，木材加工工業是其中的重要組成部分。如何在全行業實施木材的低碳加工和科學保護具有十分重要的意義［9］。下面闡述關于深入研究和逐步實施以木材或木質材料為原料的節能減排、低碳加工的相關問題。

3.1 加強木材的科學防護

當木材、木質材料和制品被燃燒和腐朽時，原本被封存在其中的以有機物形式儲存的CO2又會被釋放出來，所以實施木材的阻燃處理和防腐處理是十分必要的。世界上科技發達國家非常重視木材防護技術的研究與開發。美國每年木材防腐處理量為1800～2000萬m3，相當于每年減伐林木4000多萬m3;新西蘭每年處理量約為270萬m3;英國約為230萬m3。美國、英國和新西蘭年處理量分別占木材消耗量的15.6%、20%和43%。我國年防腐處理木材約為60萬m3，約占木材消耗量的0.3%，說明木材防護能力很低。并且每年約有60%的商品木材沒被立即加工利用，要經過夏季儲存，其中又有40%的木材遭受真菌的腐蝕和蟲蛀，嚴重影響木材品質和使用壽命。關于木材的阻燃處理量與木材消耗量相比更是微乎其微。木材燃燒不僅消耗資源，危害安全，更重要的是木材燃燒時，將儲存的碳素又以CO2等氣體的形式排放到大氣中，加劇破壞自然界的生態平衡。因此，必須提高木材防護意識，加強木材阻燃和防腐處理能力，優化木材防腐、阻燃等防護處理技術。木材防腐技術的關鍵，是改良、優化傳統的防腐劑和開發低污染、高效率的新型防腐劑。目前，生物防腐劑引人注目，這類防腐劑包括:植物提取物及其分子修飾產物用于木材的微生物和蟲害防治;微生物用于木材的防霉;生物酶用于木材的微生物防治［10］。此外，要不斷探尋新的木材防腐途徑。譬如:采用高溫缺氧的方式對木材進行熱處理，可得到“炭化木”。而炭化木具有優良的尺寸穩定性和防腐性能，一次處理可達到多種效果。因為超高溫熱處理破壞或斷絕了木腐菌生長繁衍所必要的生活條件，諸如水分、硫胺素、酸堿度等，使木材中的木腐菌或其它微生物因饑餓而死或離散遷移。

3.2 研究木制品和復合材料的低污染加工技術

由于木材具有獨特的自然美感和環境學特性，所以常常用來制作室內家具和日常生活用品，裝飾人居空間和建筑房屋;以木材為原料的各種加工形式制得的人造板、紙張及各種木質基復合材料廣泛地應用在人們生活和各個部門。木材制品及各種林產品和復合材料則是將林木生長吸存的碳繼續固定和儲存，在木材或木質材料加工時，注意開發和采用高新技術，在低碳工藝和技術指導下進行加工，以節省能源和減少或避免這些材料所儲存的碳又會以各種形式回歸到大氣中去，增加CO2濃度和溫室效應。

①研制低污染、無污染的木工膠黏劑和人造板用膠黏劑以及新型的膠合方法。如非甲醛系列膠黏劑，水性高分子復合型膠黏劑等。

開發、研制低甲醛釋放量的脲醛樹脂膠黏劑。一些研究者通過改變脲醛樹脂的摩爾比(F/U)和合成方法及固化體系，開發低毒性低甲醛釋放量的新型脲醛樹脂膠黏劑。這種膠黏劑用于室內裝修和家具用材，可以減輕具有強刺激性的揮發性甲醛對環境和人體的危害。研制、使用不含甲醛的非甲醛系列膠黏劑，它屬于非甲醛系合成樹脂膠黏劑。國外已將其用于刨花板、定向刨花板、華夫板、中密度纖維板及其他人造板的生產，日本和西歐等一些國家已部分取代了甲醛系列膠黏劑。我國研究者經過多年科技攻關，已成功地開發使用異氰酸酯膠黏劑用于生產刨花板和濕木材膠接等，制造出用于木質材料和木材膠接的系列產品。這些產品用于室內家具制造和裝修，徹底解決了室內環境污染和危害人體健康的弊端［11］。

②采用“無膠膠合”或“彎曲”、“整形”方法制造素材或家具等木制品。這些產品用于室內可堪稱“綠色產品”。一些研究者利用木材中含有的水溶性天然物質在高溫高壓下處理，使之自生膠接制造中密度纖維板和膠合板。選擇白蠟木、榆木等塑性好的木材在濕熱共同作用下彎曲定型，制作的彎曲木家具輕盈、優雅，具有抽象性和藝術性。經過預處理和高溫、高壓或高頻處理可以制成整型木，然后根據用途的需要制造各種家具或木制品。

③研制綠色涂料。木器油漆是指各種木制品和家具采用涂飾和涂料進行的表面裝飾材料。國內外歷史最久而至今應用最廣泛的仍屬油漆裝飾。油漆時所用的涂料常用相應的溶劑來配成。這些溶劑諸如烴類溶劑、酯類溶劑、酮類溶劑、醇類溶劑和萜烯類溶劑，溶劑中含有大量的有機揮發物，這些具有毒性的物質(如苯類、汽油、酮類、醛類等)在室內會慢慢釋放出來造成污染和危害，因此必須選用“綠色”涂料進行木制品和家具的涂飾。

木制品、家具用涂料和涂飾必須接受環境保護法規的制約，必須使用有利于室內環境、減少揮發性有機物(VOC)排放量的涂料;

考慮現實可能使用的涂料，如高固體份涂料(不揮發份的目標值在60% ～70%)、紫外線固化型樹脂涂料、水性涂料、粉末涂料、粘貼涂料等;

為變革傳統的涂飾技術，提高涂飾效果，采取科學環保型的木材前處理技術，如殼聚糖處理、聚乙二醇涂布、等離子體處理等。

總之，加強研究木材加工過程的低碳節能技術，進行工藝和設備的創新，以此發展木材低碳加工產業，走低碳經濟發展之路，已成為時代的必然選擇。

3.3 拓展生物質能源的開發和利用

以各種木制品、林產品的加工剩余物和廢舊木材和制品等木質廢棄物為原料，直接使用或通過相應的加工處理手段后應用。我國以煤和石油為主的能源消耗是溫室氣體二氧化碳的主要排放源。國家對此高度重視。節能減排和應對氣候變化已經成為我國當前經濟社會發展的一項重要而緊迫的任務。

目前我國能源資源嚴重短缺，50%的石油靠進口，石油、天然氣剩余可采儲量僅為世界人均水平的7.7%和4.1%。石油化工、交通運輸業是我國的重要支柱產業，它既是高能耗、高污染大戶，更是高碳排放重點行業。僅就機動車而言，到2007年底，已達到1.598億輛;機動車船和機械設備所消耗的潤滑油達600萬t左右，而且這兩項每年均以10%以上的速度遞增。大力發展低碳能源和低碳經濟，是我國應對氣候變化和實現“十一五”節能減排目標的戰略選擇［12］。

3.4 對木結構住宅固碳減排的認識

出自于改善人居微環境或所處地域的地理條件等因素的需要，一些國家比較重視民居的木結構住宅建設。我國因木材資源的限制以及人們的生活習慣和愛好的需求，木結構住宅尚未興起，但在度假村、旅游勝地等一些區域亦可見到木結構的木屋、別墅、賓館等。從固碳減排的視角來認識木結構住宅的優越性。一些研究者試驗研究了采用不同建筑材料建造住宅的固碳狀況，得出了相同面積的住宅具有不同的固碳減排效果［8］。如:平均一棟面積為136 m2住宅中儲存的碳，木結構住宅固碳量6 t，鋼盤混凝土住宅固碳量1.6 t，鋼骨預制件住宅固碳量1.5 t;同樣面積住宅，主要材料制造時碳的排放量不同，木結構為5140 kg、鋼筋混凝土結構為21814 kg、鋼筋預制板結構為14743 kg。

由此可見，木結構住房固碳量約是鋼筋混凝土結構住宅固碳量的4倍，而木結構以木材為主要材料建造的住宅，其碳的排放量不到鋼筋混凝土結構住宅碳的排放量的1/4，木材固碳和減排效果放大了十幾倍。

4 結束語

綜上所述，木材具有的多R特性與環境保護的要求有著緊密相連的一致性，為木材和林產品的低碳加工、利用及其發展低碳產業奠定了理論基礎。面對著我國工業化和經濟發展的進程，以低碳經濟的理念和視角，須重新審視以往的木材工業發展沿革、技術和生產狀況，查找與“低碳技術”、“低碳產業”水平的差距，加強木材工業的加工工藝、設備和節能減排的一體化研究和綜合實施，卓有成效地推動木材工業的低碳經濟發展進程。

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