木塑复合材料应用的持续增长是必然趋势

在全球范围内的应用持续增长 木塑复合材料 材料是必然趋势

社会发展对木材的需求不断增加，而森林的生长速度已不能满足需求，这就迫使木材行业进行创新和探索。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）生物基高分子团队利用植物秸秆等纤维复合材料制备出了类木复合材料。团队负责人、宁波材料所研究员朱进告诉《中国科学报》记者："我们与企业合作开发的工艺，不仅解决了农村秸秆大规模焚烧的问题，更希望将农林废弃物变废为宝。"

寻找木材替代品

如今，通过砍伐森林获得的圆木越来越少，因此木材行业出现了人造板。所谓人造板，是用生长周期短的速生树木，如杨树、桉树和其他树木，作为原材料切割成木皮或用碎木头制成木纤维。然后用粘合剂将其粘合成木板。

人造板的生产方式灵活，性价比高，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 年中国人造板年产量超过 3 亿立方米。

然而，人造板材由于含有有机粘合剂，往往会释放甲醛。目前，甲醛污染已成为社会关注的焦点。

"人造板虽然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，无法像塑料那样生产复杂部件"。朱进发现，此前高分子科学家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，木塑复合材料因其在塑料加工方面的优势和木材的美观而得到迅速发展。

新的问题也随之出现。"木塑复合材料的填充物为木粉，填充量一般小于 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，木塑复合材料无法真正满足木材的需求，实现替代木材的目标。

从结构上讲，木材的微观结构属于纤维复合材料的一种。纤维复合材料在我国的历史甚至可以追溯到古代。古人用稻草或麦草加固粘土来制作房屋，就是对纤维复合材料的一种利用。朱进说："稻草或麦草难以收集和处理，容易变质、燃烧、吸水，所以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，我们能否研发出一种类似木材的新型复合材料，真正替代木材？"朱进带领生物基高分子团队开始了新的尝试。

克服材料技术挑战

人造板和 木塑复合材料 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"。朱进团队想到了用麻纤维、竹纤维等一年生草本植物纤维作为纤维结构，与塑料结合，制造出类似木材的纤维结构复合材料。"这将彻底解决人类对木材的依赖"。

"由于各种植物纤维的价格低于高分子树脂，这些复合材料的成本也将低于目前的塑料树脂。不过，朱进的研究发现，要想大规模开发和利用植物纤维材料，必须逐层攻克材料技术的难题"。

由于植物纤维具有很强的亲水性，因此与疏水性聚合物树脂的相容性很差，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方案是使用兼容添加剂。他们可以通过选择兼容添加剂，有效改善亲水性植物纤维与疏水性聚合物树脂之间的兼容性，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，植物纤维聚合物复合材料的表面容易形成各种缺陷。例如，在挤出生产中，如果流动性差，就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 "的复合润滑剂体系，制备出外观复杂、流动性要求特别高的汽车零部件，并成功实现了板材的连续挤压。

此外，植物纤维和普通塑料都是易燃材料，目前植物纤维复合材料的阻燃问题也是一大难题。

"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。然而，这条路不仅在环保处理上费时费力，还增加了不少额外成本。"朱进介绍了他们生物基聚合物团队利用植物纤维和树脂基体分步阻燃的方案：两者分别进行阻燃处理。通过科学的阻燃评估，高填充植物纤维复合材料达到了V0级阻燃能力。

加工和制备木质材料

目前植物纤维的制备加工也面临三个难题，即如何集中收集、如何高效粉碎、如何与树脂基体均匀混合。以秸秆为例，朱进表示，秸秆的收集成本高、杂质多，最终的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，但其细腻程度离制备复合材料还相差甚远。

朱进带领的团队通过研究发现，要解决上述问题，首先需要小型化的设备，可以在一定地理范围内多地生产，实现纤维加工，甚至制备复合材料；其次，要有高效的纤维粉碎方法，通过粉碎过程将秸秆或麻纤维中的微纤维从主茎中分离出来；最后，设备需要很强的混合搅拌力矩，将高含量的植物纤维与塑料树脂充分混合。

为此，宁波材料所与潍坊云鼎新材料科技股份有限公司合作，研发了一种高速混料设备，可以一步到位解决上述问题。朱进说："这套设备可以成功制备填充量高达 80% 的植物纤维热塑性复合材料。通过混合原料和自动切割形成的复合材料颗粒可以通过传统的塑料成型工艺生产出来。"

植物纤维的高含量确保了复合材料的高强度，其强度类似于木材。因此，高含量植物纤维聚合物材料也被称为仿木复合材料。这类仿木复合材料的综合性能优于木材、人造板、单一塑料和传统木塑。

朱进表示，随着研究和营销的深入，仿木制品将很快进入市场，走进千家万户。这样，木材的发展就实现了从原木到人造板，再到一年生草本植物仿木的时代，使人类摆脱对木材的依赖，实现木材的可持续发展。