随着研发和市场推广的深入，仿木产品将很快进入市场，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，使人类摆脱对木材依赖性，实现木材可持续性发展。

　　■本报记者 沈春蕾 通讯员 高晓静

　　社会发展对木材需求量越来越大，森林生长的速度已满足不了需求，这倒逼木材行业进行创新探索。

　　日前，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，制备出仿木复合材料。团队负责人、宁波材料所研究员朱锦告诉《中国科学报》：“我们已经与企业合作开发了一套工艺，不仅解决了农村秸秆大量焚烧问题，还有望将农林废弃物变废为宝。”

　　寻找木材的替代品

　　如今，通过砍伐森林获得的圆木越来越少，于是木材行业出现了人造板材。所谓人造板材就是以速生林如杨树、桉树等生长周期短的树木为原材料，通过旋切成木皮或用碎木做成木纤维做原材料，利用胶黏剂把它们粘接成为板材。

　　人造板材制造方法灵活、价格低廉，几乎可以满足人们日常需要。据中国木材与木制品流通协会信息中心统计显示，2017年中国每年产生的人造板材超过3亿立方米。

　　然而，人造板材由于存在有机胶黏剂，往往会释放甲醛。而当下，甲醛污染问题已经成为社会关注的一个焦点。

　　“人造板材虽然比圆木增加了加工灵活性，但受限于其成型工艺只能制备简单构件，不能像塑料一样制备复杂构件。”朱锦发现，此前高分子科学家通过木粉填充塑料，获得新型木塑复合材料。近20年来，木塑复合材料因为既具有塑料加工的优点，同时又具有木材的美观，发展迅速。

　　新问题也随之产生。“木塑复合材料是以木粉作为填充，填充量一般低于60%，其力学性能达不到木材的要求，易出现翘曲、变形等严重问题。”朱锦说，木塑复合材料还不能真正满足木材需要，达到取代木材的目的。

　　从结构上来说，木材的微结构是一种纤维复合材料。我国纤维复合材料的历史甚至可以追溯到古代，古人利用稻草或麦秸增强粘土来制造房屋，就是一种纤维复合材料的利用。朱锦称：“稻草或者麦秸秆难以收集处理，易变质、易燃烧、易吸水，所以在现代复合材料中很难再见到它们的身影。”

　　“根据木材纹理结构，我们能否研制出真正可以替代木材的新型仿木复合材料呢？”朱锦带领的生物基高分子团队开始新的尝试。

　　克服材料技术难题

　　无论人造板材还是木塑，其原材料都需要木材。“2017年，我国木材进口依赖度已经达到60%以上。”朱锦团队想到，可以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，与塑料结合做出纤维结构的仿木复合材料。“这样就将彻底解决人类对木材的依赖性。”

　　“由于各类植物纤维的价格低于高分子树脂的价格，这类复合材料的成本也将低于目前的塑料树脂。”不过，朱锦研究发现，要大规模开发并利用植物纤维材料，还需要克服材料技术的层层难题考验。

　　由于植物纤维具有较强的亲水性，其与疏水的高分子树脂之间的相容性很差，导致最终获得的复合材料表现出较大的脆性。

　　生物基高分子团队的应对方案是，相容助剂。他们通过优选找到的相容助剂可以有效地改善亲水植物纤维与疏水性高分子树脂之间的相容性，最终制备出具有高强度、高模量的植物纤维增强高分子复合材料。

　　不过，随着植物纤维含量的提高，植物纤维高分子复合材料表面容易形成各种缺陷。比如，在挤出生产中，如果流动性欠佳则会出现无法连续挤出、挤出后形状不稳定等问题。朱锦团队的解决方案是采用“内润滑”加“外润滑”的复配润滑剂体系，制备了外观造型复杂、流动性要求特别高的汽车零部件，也顺利实现了板材的连续化挤出。

　　此外，植物纤维与常见的塑料都是易燃品，当前植物纤维复合材料的阻燃问题也是一大难题。

　　“其他研究团队通过有机溶剂或者碱液处理纤维实现阻燃。但是这条路径不仅在环保处理方面费时费力，而且增加了很多额外的成本。”朱锦介绍了他们生物基高分子团队采用植物纤维与树脂基体分步阻燃化的方案：对两者单独进行阻燃处理。通过科学的阻燃评价，高填充的植物纤维复合材料达到了V0级的阻燃能力。

　　加工制备仿木材料

　　当前植物纤维制备与加工也面临着三个挑战，分别是如何集中收集、如何高效破碎、如何与树脂基体均匀混合。朱锦以秸秆为例说，秸秆收集成本较高、杂质较多，最后的综合化利用也比较困难，农业化的机械设备可以初步破碎这类秸秆，但是其细腻程度距离复合材料的制备依然比较遥远。

　　朱锦率团队通过研究发现，要解决以上问题，首先需要小型化的装备，可以在一定地域范围多点生产，实现纤维的处理乃至复合材料的制备；其次，要有高效的纤维破碎方法，让秸秆或者麻类纤维里的微观纤维通过破碎的过程从主干中分离出来；最后，设备需要有非常强的共混搅拌扭矩才能让高含量的植物纤维与塑料树脂进行充分共混。

　　为此，宁波材料所与潍坊云鼎新材料科技有限公司合作开发了一套高速共混设备，可以在一个工艺步骤内解决以上问题。朱锦说：“该设备可以成功制备出植物纤维填充量高达80%的热塑性复合材料，通过原料共混和自动切粒后所形成的复合材料颗粒，可以通过常规的塑料成型工艺进行产品的生产。”

　　高含量植物纤维保证了复合材料的高强度，这一点与木材类似，因此高含量的植物纤维高分子材料也称为仿木复合材料。这类仿木复合材料具有比木材、人造板、单一塑料和传统木塑更加优异的综合性能。

　　朱锦表示，随着研发和市场推广的深入，仿木产品将很快进入市场，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，使人类摆脱对木材依赖性，实现木材可持续性发展。

　　（原文发布于2019年2月28日《中国科学报》第6版）

　　【原文链接】http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/2/343810.shtm?id=343810