植物纖維高分子復合倣木産品

　　植物纖維高分子復合材料制備過程

　　2017年，中國人造板材産量超過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。研發植物纖維高分子復合材料，就是為了從根本上解決木材産需之間的矛盾。

　　“像木材一樣可釘可鉚，點燃10秒後離火自滅，不會翹曲也不發生霉變，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膠樹脂結合，研制出了一種新型的倣木材料——植物纖維高分子復合材料，並且其對水火還具有“免疫”屬性。

　　“以往的原木或倣木材料，在性能優勢上往往顧此失彼，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技術的突破，將減少人類對木材的依賴，促進木材的可持續發展。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合材料。

　　微觀設計再現“古式纖維復合”

　　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，每個細胞都相當于一根管柱，在橫紋、順紋兩種情況下會表現出不同的抗壓能力，導致木材便于加工的同時也容易翹曲。“但我們所研制的復合材料因為擁有高含量且不規則的植物纖維，可保證材料在橫紋、順紋方向下都具有均勻的抗壓性能，這使得復合材料不會翹曲，並且植物纖維高分子復合材料密度低，可鋸、可鉚、可釘、可刨，加工十分靈活。”朱錦説。

　　“纖維復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，在現代復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膠樹脂進行充分共混，需要具有強力共混攪拌扭矩的硬體設備。“以往的木塑復合材料，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膠樹脂進行充分共混，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，讓成品的力學性能遠高于市場上的木塑復合材料。

　　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，會導制復合材料表現出很大的脆性。對此，朱錦表示，團隊優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合力，讓植物纖維高分子復合材料具有了高強度、高模量。

　　最後還有個難點。植物纖維含量一旦提高，植物纖維高分子復合材料的熔體粘度（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，朱錦團隊採用“內潤滑”加“外潤滑”的復配潤滑劑體係，降低了熔體的內部粘度，減小了熔體與設備之間的摩擦。

　　獨家配方增強倣木“體質”

　　眾所周知，植物纖維與常見的塑膠都是易燃品。植物纖維復合材料的阻燃問題依然是業界難題，很多研究者通過有機溶劑或者鹼液處理纖維，破壞纖維表面的結構，然後加入阻燃劑進行阻燃。

　　“這種做法會産生大量的廢棄溶劑和鹼液，在環保處理方面增加了額外成本。”朱錦説，于是團隊採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，再用常規的加工方法與環保型阻燃劑，使樹脂獲得足夠的阻燃能力，植物纖維復合材料點燃10秒後，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天後，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膠層切除，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，才得出配方設計，讓高達80%植物纖維含量的復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合材料在高溫濕熱的情況下，依然具有良好的穩定性能。

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

　　相關連結

　　倣木——技術與藝術的完美結合

　　倣木是一種工藝技術，運用這種工藝技術可以生産制作出外觀似實木的各種産品。國外迪士尼主題公園等場所的眾多建築用的都是倣木。

　　從外觀上看，倣木和原木製品的視覺效果不相上下，能以假亂真，但使用壽命卻遠遠優于原木，經過長年風吹日曬也不會腐蝕褪色，更不會生蟲，既耐用又環保。

　　地面、墻面、建築外觀裝飾裝修，親水準臺鋪裝，防護安全景觀裝飾，這些場景中倣木都可替代原木。

　　倣木材質在前十年只能是模具成形，而現如今經過人們的努力已經發展成無模生産，大大降低了生産成本，而且生産工藝也大大改觀，克服了年久腐蝕、氧化、易損等技術難題，在我國木材資源極度匱乏的當下，倣木有成為戶外園林景觀裝飾主流的趨勢。（記者 江耘 實習生 洪恒飛）

【糾錯】

責任編輯： 劉陽