木塑複合材料應用的持續增長是必然趨勢

應用的持續成長 木塑複合材料 材料是必然趨勢

社會發展對木材的需求與日俱增，森林生長速度已無法滿足需求，迫使木材產業不斷創新探索。

近日，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複合材料制備出類木複合材料。團隊負責人、寧波材料所研究員朱進告訴《中國科學報》記者：「我們與企業合作開發的工藝，不僅解決了農村秸稈大規模焚燒的問題，更希望將農林廢棄物變寶為寶。」

尋找木材的替代品

現今，透過砍伐森林所獲得的圓木數量越來越少，導致木材工業出現了人造板。所謂的人造板是以楊樹、桉樹等生長週期較短的速生樹木為原料，將其切割成木皮或以碎木為原料製成木纖維。然後使用黏合劑將它們黏合成木板。

人造板的製造方法靈活，性價比高，幾乎可以滿足人們的日常需求。據中國木材與木制品流通協會信息中心統計，2017年，中國人造板年產量超過3億立方米。

然而，由於有機膠黏劑的存在，人造板通常會釋放甲醛。目前，甲醛污染已成為社會關注的焦點。

「人造板與圓木相比，雖然加工靈活性提高了，但其成型工藝只局限於生產簡單的組件，不能像塑料那樣生產複雜的組件」。朱進發現，此前高分子科學家通過在塑料中填充木粉，獲得了一種新型木塑複合材料。近 20 年來，木塑複合材料因其在塑膠加工方面的優勢和木材的美感，得到了快速發展。

也出現了新的問題。"木塑複合材料的填充物為木粉，填充量一般小於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。"朱進表示，木塑複合材料無法真正滿足木材的需求，達到替代木材的目標。

從結構上來說，木材的微觀結構就是一種纖維複合材料。纖維複合材料在我國的歷史甚至可以追溯到古代。古人用稻草或麥草加固黏土製造房屋，就是纖維複合材料的一種利用。朱進說：「稻草或麥草不易收集和處理，容易變質、燃燒、吸水，所以在現代複合材料中很難再看到它們的身影」。

「根據木材的紋理結構，我們能否開發出一種新型的類似木材的複合材料，真正取代木材？」朱進帶領生物基高分子團隊開始了新的嘗試。

克服材料技術挑戰

人造板和 木塑複合材料 需要木材作為原材料。「2017年，中國木材進口依存度已達60%以上」。朱进团队想到了利用一年生草本植物纤维，如麻纤维、竹纤维等作为纤维结构，与塑料结合，制造出类似木材的纤维结构复合材料。「這將徹底解決人類對木材的依賴」。

"由於各種植物纖維與高分子樹脂相比價格較低，這些複合材料的成本也將低於目前的塑膠樹脂。然而，朱進的研究發現，要大規模開發和利用植物纖維材料，必須克服材料技術的逐層挑戰"。

由於植物纖維的強親水性，與疏水性聚合物樹脂的相容性較差，導致最終的複合材料呈現明顯的脆性。

生物基聚合物團隊的應對方案是使用相容性添加劑。他們可透過選擇相容性添加劑，有效改善親水性植物纖維與疏水性高分子樹脂之間的相容性，最終製備出高強度、高模量的植物纖維強化高分子複合材料。

然而，隨著植物纖維含量的增加，植物纖維高分子複合材料表面容易形成各種缺陷。例如，在擠出生產中，如果流動性差，就可能出現無法連續擠出、擠出後形狀不穩定等問題。朱進團隊的解決方案是利用「內潤滑」與「外潤滑」的複合潤滑系統，製備出外觀複雜、流動性要求特別高的汽車零件，同時也成功實現了板材的連續擠出。

此外，植物纖維與一般塑膠都是易燃材料，目前植物纖維複合材料的阻燃問題也是一大挑戰。

"其他研究團隊是透過使用有機溶劑或鹼性溶液處理纖維來達到阻燃效果。然而，這種路徑不僅在環境處理上耗時耗力，還增加了很多額外成本。"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：对两者分别进行阻燃处理。通過科學的阻燃評估，高填充植物纖維複合材料的阻燃能力達到了V0級。

加工和製備類似木材的材料

目前植物纖維的制備加工還面臨三大挑戰，即如何集中收集、如何高效粉碎、如何與樹脂基體均勻混合。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。農業機械設備可以對這類秸稈進行初步粉碎，但其細膩程度離複合材料的制備還差很遠。

朱進領導的團隊通過研究發現，要解決上述問題，首先需要小型化的設備，可以在一定地理範圍內多地生產，實現纖維加工甚至複合材料的製備；其次，要有高效的纖維粉碎方法，通過粉碎過程將草纖維或麻纖維中的微纖維從主莖中分離出來；最後，設備需要很強的混合攪拌力矩，將高含量的植物纖維與塑料樹脂充分混合。

為此，寧波材料所與濰坊雲頂新材料科技有限公司合作，開發了一種高速混煉設備，可以在一個工藝步驟中解決上述問題。朱進表示："該設備可成功制備填充含量高達80%的植物纖維熱塑性複合材料。通過原料混合和自動切割形成的複合材料顆粒可以通過傳統的塑料成型工藝進行生產"。

植物纖維的高含量確保了複合材料的高強度，與木材類似。因此，高含量植物纖維高分子材料又被稱為仿木複合材料。這類仿木複合材料的綜合性能優於木材、人造板、單塑和傳統木塑。

朱進表示，隨著研究和市場化的深入，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，使人類擺脫對木材的依賴，實現木材的可持續發展。