秸稈仿木 變廢為寶

沈春蕾

隨著研發和市場推廣的深入，仿木產品將很快進入市場，走進千家萬戶。這樣木材的發展就實現了從原木到人造板，再到一年生草本植物仿木的時代，使人類擺脫對木材依賴性，實現木材可持續性發展

社會發展對木材需求量越來越大，森林生長的速度已滿足不了需求，這倒逼木材行業進行創新探索。

日前，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）生物基高分子團隊利用植物秸稈等纖維復合材料，制備出仿木復合材料。團隊負責人、寧波材料所研究員朱錦告訴筆者：“我們已經與企業合作開發了一套工藝，不僅解決了農村秸稈大量焚燒問題，還有望將農林廢棄物變廢為寶。”

1.尋找木材的

替代品

如今，通過砍伐森林獲得的圓木越來越少，于是木材行業出現了人造板材。所謂人造板材就是以速生林如楊樹、桉樹等生長周期短的樹木為原材料，通過旋切成木皮或用碎木做成木纖維做原材料，利用膠黏劑把它們粘接成為板材。

人造板材制造方法靈活、價格低廉，幾乎可以滿足人們日常需要。據中國木材與木制品流通協會信息中心統計顯示，2017年中國每年產生的人造板材超過3億立方米。

然而，人造板材由于存在有機膠黏劑，往往會釋放甲醛。而當下，甲醛污染問題已經成為社會關注的一個焦點。

“人造板材雖然比圓木增加了加工靈活性，但受限于其成型工藝只能制備簡單構件，不能像塑料一樣制備復雜構件。”朱錦發現，此前高分子科學家通過木粉填充塑料，獲得新型木塑復合材料。近20年來，木塑復合材料因為既具有塑料加工的優點，同時又具有木材的美觀，發展迅速。

新問題也隨之產生。“木塑復合材料是以木粉作為填充，填充量一般低于60%，其力學性能達不到木材的要求，易出現翹曲、變形等嚴重問題。”朱錦說，木塑復合材料還不能真正滿足木材需要，達到取代木材的目的。

從結構上來說，木材的微結構是一種纖維復合材料。我國纖維復合材料的歷史甚至可以追溯到古代，古人利用稻草或麥秸增強粘土來制造房屋，就是一種纖維復合材料的利用。朱錦稱：“稻草或者麥秸稈難以收集處理，易變質、易燃燒、易吸水，所以在現代復合材料中很難再見到它們的身影。”

“根據木材紋理結構，我們能否研制出真正可以替代木材的新型仿木復合材料呢？”朱錦帶領的生物基高分子團隊開始新的嘗試。

2.克服材料技術難題

無論人造板材還是木塑，其原材料都需要木材。“2017年，我國木材進口依賴度已經達到60%以上。”朱錦團隊想到，可以利用一年生草本植物纖維，如麻纖維、竹纖維等作為纖維結構，與塑料結合做出纖維結構的仿木復合材料。“這樣就將徹底解決人類對木材的依賴性。”

“由于各類植物纖維的價格低于高分子樹脂的價格，這類復合材料的成本也將低于目前的塑料樹脂。”不過，朱錦研究發現，要大規模開發并利用植物纖維材料，還需要克服材料技術的層層難題考驗。

由于植物纖維具有較強的親水性，其與疏水的高分子樹脂之間的相容性很差，導致最終獲得的復合材料表現出較大的脆性。

生物基高分子團隊的應對方案是，相容助劑。他們通過優選找到的相容助劑可以有效地改善親水植物纖維與疏水性高分子樹脂之間的相容性，最終制備出具有高強度、高模量的植物纖維增強高分子復合材料。

不過，隨著植物纖維含量的提高，植物纖維高分子復合材料表面容易形成各種缺陷。比如，在擠出生產中，如果流動性欠佳則會出現無法連續擠出、擠出后形狀不穩定等問題。朱錦團隊的解決方案是采用“內潤滑”加“外潤滑”的復配潤滑劑體系，制備了外觀造型復雜、流動性要求特別高的汽車零部件，也順利實現了板材的連續化擠出。

此外，植物纖維與常見的塑料都是易燃品，當前植物纖維復合材料的阻燃問題也是一大難題。

“其他研究團隊通過有機溶劑或者堿液處理纖維實現阻燃。但是這條路徑不僅在環保處理方面費時費力，而且增加了很多額外的成本。”朱錦介紹了他們生物基高分子團隊采用植物纖維與樹脂基體分步阻燃化的方案：對兩者單獨進行阻燃處理。通過科學的阻燃評價，高填充的植物纖維復合材料達到了V0級的阻燃能力。

3.加工制備仿木材料

當前植物纖維制備與加工也面臨著三個挑戰，分別是如何集中收集、如何高效破碎、如何與樹脂基體均勻混合。朱錦以秸稈為例說，秸稈收集成本較高、雜質較多，最后的綜合化利用也比較困難，農業化的機械設備可以初步破碎這類秸稈，但是其細膩程度距離復合材料的制備依然比較遙遠。

朱錦率團隊通過研究發現，要解決以上問題，首先需要小型化的裝備，可以在一定地域范圍多點生產，實現纖維的處理乃至復合材料的制備;其次，要有高效的纖維破碎方法，讓秸稈或者麻類纖維里的微觀纖維通過破碎的過程從主干中分離出來;最后，設備需要有非常強的共混攪拌扭矩才能讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混。

為此，寧波材料所與濰坊云鼎新材料科技有限公司合作開發了一套高速共混設備，可以在一個工藝步驟內解決以上問題。朱錦說：“該設備可以成功制備出植物纖維填充量高達80%的熱塑性復合材料，通過原料共混和自動切粒后所形成的復合材料顆粒，可以通過常規的塑料成型工藝進行產品的生產。”

高含量植物纖維保證了復合材料的高強度，這一點與木材類似，因此高含量的植物纖維高分子材料也稱為仿木復合材料。這類仿木復合材料具有比木材、人造板、單一塑料和傳統木塑更加優異的綜合性能。

朱錦表示，隨著研發和市場推廣的深入，仿木產品將很快進入市場，走進千家萬戶。這樣木材的發展就實現了從原木到人造板，再到一年生草本植物仿木的時代，使人類擺脫對木材依賴性，實現木材可持續性發展。