植物纖維高分子復(fù)合仿木產(chǎn)品

　　植物纖維高分子復(fù)合材料制備過程

　　2017年，中國人造板材產(chǎn)量超過3億立方米，其中60%的原材料依賴進口。與此同時，各類秸稈可收集量超過8億噸，其中只有極少部分得到有效再利用。研發(fā)植物纖維高分子復(fù)合材料，就是為了從根本上解決木材產(chǎn)需之間的矛盾。

　　“像木材一樣可釘可鉚，點燃10秒后離火自滅，不會翹曲也不發(fā)生霉變，而且價格比普通木材還要低……”近期，中科院寧波材料所研究員朱錦將草本植物纖維與塑料樹脂結(jié)合，研制出了一種新型的仿木材料——植物纖維高分子復(fù)合材料，并且其對水火還具有“免疫”屬性。

　　“以往的原木或仿木材料，在性能優(yōu)勢上往往顧此失彼，且離不開對木材的消耗。”朱錦告訴科技日報記者，這一材料的研制及相關(guān)技術(shù)的突破，將減少人類對木材的依賴，促進木材的可持續(xù)發(fā)展。目前，研究團隊通過與一家山東科企合作，已能制備出植物纖維填充量高達80%的植物纖維高分子復(fù)合材料。

　　微觀設(shè)計再現(xiàn)“古式纖維復(fù)合”

　　纖維沿著生長方向排列，形成了天然木材的各向異性——木材受壓時，每個細胞都相當(dāng)于一根管柱，在橫紋、順紋兩種情況下會表現(xiàn)出不同的抗壓能力，導(dǎo)致木材便于加工的同時也容易翹曲。“但我們所研制的復(fù)合材料因為擁有高含量且不規(guī)則的植物纖維，可保證材料在橫紋、順紋方向下都具有均勻的抗壓性能，這使得復(fù)合材料不會翹曲，并且植物纖維高分子復(fù)合材料密度低，可鋸、可鉚、可釘、可刨，加工十分靈活。”朱錦說。

　　“纖維復(fù)合材料的歷史可追溯至古代。古人將稻草或麥秸混入粘土增加粘土強度用以建造房屋，就是一種纖維復(fù)合材料的利用。”朱錦表示，由于秸稈難于收集處理，且易腐、易燃、易吸水，在現(xiàn)代復(fù)合材料中很難見到它們的身影。

　　但朱錦等人研制的植物纖維高分子復(fù)合材料，卻用到了古人所用的秸稈。可制作這種材料仍需要解決幾個問題。

　　首先，讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混，需要具有強力共混攪拌扭矩的硬件設(shè)備。“以往的木塑復(fù)合材料，以木粉作填充，填充量低于60%。而我們與山東科企合作研制的高速共混機，可通過其極強的共混攪拌扭矩，讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混，讓微植物纖維填充量達80%。”朱錦解釋道，這令它在復(fù)合材料中起到類似鋼筋混凝土中“鋼筋”的作用，讓成品的力學(xué)性能遠高于市場上的木塑復(fù)合材料。

　　其次，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相容性很差，會導(dǎo)制復(fù)合材料表現(xiàn)出很大的脆性。對此，朱錦表示，團隊優(yōu)選了合適的相容助劑，改善親水植物纖維與疏水性高分子樹脂之間的相容性，提高兩者在微觀層面的結(jié)合力，讓植物纖維高分子復(fù)合材料具有了高強度、高模量。

　　最后還有個難點。植物纖維含量一旦提高，植物纖維高分子復(fù)合材料的熔體粘度（在一定溫度下熔體流動性能的好壞，粘度越大，熔體流動性越差）也會相應(yīng)增加，會使得材料在注塑過程中流動性變差，甚至無法充滿模腔，最終獲得的制件表面容易形成各式缺陷。為此，朱錦團隊采用“內(nèi)潤滑”加“外潤滑”的復(fù)配潤滑劑體系，降低了熔體的內(nèi)部粘度，減小了熔體與設(shè)備之間的摩擦。

　　獨家配方增強仿木“體質(zhì)”

　　眾所周知，植物纖維與常見的塑料都是易燃品。植物纖維復(fù)合材料的阻燃問題依然是業(yè)界難題，很多研究者通過有機溶劑或者堿液處理纖維，破壞纖維表面的結(jié)構(gòu)，然后加入阻燃劑進行阻燃。

　　“這種做法會產(chǎn)生大量的廢棄溶劑和堿液，在環(huán)保處理方面增加了額外成本。”朱錦說，于是團隊采用植物纖維與樹脂基體分步阻燃化的方案，先用水對植物纖維進行簡單的噴淋，再用常規(guī)的加工方法與環(huán)保型阻燃劑，使樹脂獲得足夠的阻燃能力，植物纖維復(fù)合材料點燃10秒后，離火便自動熄滅。

　　防得了火，能否防潮？

　　實驗團隊將封閉樣條浸泡在20℃的恒溫水中，100天后，樣條的吸水率仍然低于2%。為讓樣品多吸水，實驗人員將擠出塊材表面的塑料層切除，又進行了60天的吸水性測試，樣品的吸水率均仍未超過20%，遠低于30%的腐爛臨界值。

　　“這是因為在高速共混機中，高分子基體與纖維達到了非常均勻的共混，完成了對植物纖維的有效包裹。”朱錦表示，團隊做了大量精密計算，才得出配方設(shè)計，讓高達80%植物纖維含量的復(fù)合材料依然能夠受到高分子基體的保護，大幅度降低吸水性能。同時保證了植物纖維復(fù)合材料在高溫濕熱的情況下，依然具有良好的穩(wěn)定性能。

　　“目前團隊已經(jīng)貫通了植物纖維高分子復(fù)合材料的整體工藝路線，具備了一定的生產(chǎn)與制備能力，并使產(chǎn)品在成本與使用性上取得了良好的平衡。”朱錦表示，隨著研發(fā)和市場推廣的深入，這款仿木產(chǎn)品會很快進入市場，從而促成人類將樹木還給森林。（本文圖片由受訪單位提供）

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　　仿木——技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合

　　仿木是一種工藝技術(shù)，運用這種工藝技術(shù)可以生產(chǎn)制作出外觀似實木的各種產(chǎn)品。國外迪士尼主題公園等場所的眾多建筑用的都是仿木。

　　從外觀上看，仿木和原木制品的視覺效果不相上下，能以假亂真，但使用壽命卻遠遠優(yōu)于原木，經(jīng)過長年風(fēng)吹日曬也不會腐蝕褪色，更不會生蟲，既耐用又環(huán)保。

　　地面、墻面、建筑外觀裝飾裝修，親水平臺鋪裝，防護安全景觀裝飾，這些場景中仿木都可替代原木。

　　仿木材質(zhì)在前十年只能是模具成形，而現(xiàn)如今經(jīng)過人們的努力已經(jīng)發(fā)展成無模生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本，而且生產(chǎn)工藝也大大改觀，克服了年久腐蝕、氧化、易損等技術(shù)難題，在我國木材資源極度匱乏的當(dāng)下，仿木有成為戶外園林景觀裝飾主流的趨勢。（記者 江耘 實習(xí)生 洪恒飛）

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責(zé)任編輯： 劉陽