报刊、网络文摘
植物纤维／高分子 复合木材的研究与开发
　　一、问题的提出和研究新思路
　　随着环保政策进一步加强，我国木材资源政策已从天然林为主转向人工林为主，原始大径木材资源锐减，木质重组产品成为当前木材资源的重要补充。在中国科学院《2002高技术发展报告》中，将木质重组技术列为我国木材资源利用的重要发展方向。
　　作为木质重组领域的一个重要组成部分，植物纤维与高分子材料复合木材(又称“塑／木”材料)具有特殊重要的意义。随着人们对木质材料及木制品的质量、性能、功能和生态环境协调性的要求越来越高，今天的木质材料重组与复合已不能简单理解成几种物料的混合或再利用，不能单纯地只注重基本力学性质的改进，更要注重在重组与复合中，赋予新材料以新的功能，提升材料的附加值。植物纤维与高分子复合木材正是在这一理念指导下研制开发的，以植物纤维为主，兼具木材、塑料双重优点及其他功能，具有流变成型特征，能可逆循环利用的木质重组产品。
　　出于环保和资源的考虑，本项目把用于木质重组的植物纤维来源定位在木屑、竹屑、稻壳、麦壳、麦秸、花生壳、大豆壳、甘蔗渣等纤维素构成的材料上。高分子材料确定为聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、ABS等通用树脂产品。
　　总结近年来国内外塑／木材料复合成型技术及应用方面的有关资料和文献报道，可以看到世界范围内大约有三种不同的研究思路和技术。
　　一是强调复合材料中木纤维含量极高(达60％―90％)，树脂只起粘结剂的作用，型坯在冷却前强度很低，完全依赖物料密度堆积的挤压顶出成型。这类产品主要用于替代一些传统的实木产品和中密度板类产品，也用于包装型材、板材，园林用型材、板材，货运用托盘等塑／木产品；
　　二是不追求木纤维的高含量，而追求复合材料木质、木感的完美性。所采用的生产工艺较细致，充分把高分子材料技术、塑料加工技术、填充技术、发泡技术与木质重组要求结合起来，主要用于生产家具、装饰装修用型材和板材；
　　第三种思路的技术含量更高，主张木纤维复合材料的研究开发应在保持木质木感的前提下，改善木质材料的基本性质并赋予其新的功能。这三种不同的思路和技术，走着不同的工艺路线，采用的设备结构和形式也不尽相同。
　　货运中大量使用的塑／木托盘，是第一种情况典型产品代表。这是一种以稻壳和木粉高填充HDPE的产品。这种产品外观粗陋，只追求降低成本和使用效果。实际上“使用效果”只有当材料性质符合使用要求时，才算达到使用效果。而一旦产品的使用要求高于材料性质，即失去了使用效果。如传统使用钢货运托盘的日本，曾提出一个大量进口塑／木货运托盘以取代钢托盘的计划，但用户对塑／木托盘提出一个钢托盘的指标――两吨动载变形限度不大于4mm，结果各塑／木托盘厂家的产品均不合格，达不到使用效果。其实从增强改性技术和受力结构的角度看，达到上述指标是不难的。所以说，简单的高填充塑／木复合不是我们的目标。
　　第二种情况是人们愿意接受的，因为这种思路的着眼点在于突出木材自身的优良特性。如以木材的颜色、光泽、纹理为表征的视觉特征；以木材的冷暖感、平滑感为表征的触感特性；木材的隔音和缓冲性；对温度和湿度的调节性；以及易腐烂、变质、发霉、虫害、卫生等木材特征。在利用天然纤维木质素和高分子材料进行复合重组时，充分利用塑料加工技术的优势，去体现上述那些木材的优良特性，避免不良特性，是人们刻意追求的目标。在这方面，日本的生产规模虽然不大，却做的比较出色，主要表现在家具型材和装饰材料的细腻性与多样性诸方面。
　　本项目所进行研究的主要思路属于第三种情况。我们查阅了国内外相关报道与文献资料数十篇，发现许多工作虽各有特色，但总的来看，尚未发现在开发木纤维复合重组技术中有关于如何提高材料物理机械性能硬指标及如何赋予材料新功能的系统、科学的报道。人们多偏重于研究木质纤维的含量达到的比例及如何加工成型等问题，而没有反应出在开发木纤维复合重组技术中的核心科学问题及各相关学科的交叉、渗透。例如关于对各种木质纤维形态结构及性质的研究；关于在与不同树脂复合时，对木质纤维表面处理、架设分子桥的研究；关于与塑料物理改性和化学改性方面配合的研究等。根据以上情况，我们针对木纤维复合重组这一课题，提出一系列新的研究思路，制定相应的解决措施，开发有独立知识产权的塑／木复合重组新技术。即在注重保持优良木质木感的前提下，兼顾改善木质材料的基本性质并赋予其新的功能。一切工作，包括对木纤维形态结构、性质的选择，偶联处理，树脂选择与改性、助剂配合、加工工艺、机械手段等各环节全部围绕这一总体思路展开。
　　二、研制过程中所解决的几个关键问题
　　国外一著名材料专家曾说过：“任何结构材料的外延性能，都由其内在的结构特点所决定。材料性能的任何变化，都可以追溯到其内部某层次结构的变化上”。天然木纤维／高分子复合木材也是如此，要开发具有高性&能、新性能的复合木材，首先要对材料的微观、亚微观(介观)结构，包括木纤维及其他组分的尺寸、形态和性质；木纤维的表面改性及纤维与树脂的界面结合；复合体的相形态结构等进行正确设计和系统研究。在这种多相分散复合体系研究中，体系的流变性能、制备方法、加工条件也都和产品的相态结构及理化性能有千丝万缕的联系，有时加工条件的影响是决定性的。上述关系可以用图1来表达：
　　图1：制品理化性能与材料的流变性能、加工条件、制备方法及相关结构的相互关系图
　　1.常用木纤维的性质及形态
　　最常用的木纤维是木粉和稻壳，其主要成分为纤维素、半纤维素、木质素羟基和油及木醋酸(后三种又称树脂)。其中纤维素构成植物细胞壁的骨架，半纤维素包绕在植物细胞纤维的外方，木质素羟基和油及木醋酸集中于植物细胞壁之间，起到增强细胞壁、粘合纤维的作用。常见木粉中纤维素的含量占&40％―55％左右，木质素的含量在针叶材中为24％―34％，在阔叶材中为12％―22％。而稻壳中纤维素含量较低、木质素含量较高，所以韧性较差。纤维干浆是较理想的材料，其长径比较大，故性能较优越。
　　纤维素作为一种天然高分子化合物，呈白色，密度为1.50―1.56g／cm3，比热为1.33―1.38KJ(Kg?K)，其耐热温度在160℃以下。高于这个温度，会因为脱水而逐渐焦化。在一定压力及水共热条件下，纤维素会逐渐发生降解。纤维素的这些性质是我们在复合成型过程中制定配方和加工工艺的重要参数。
　　木质素是一种天然的芳香族高分子化合物，为黄褐色无定型粉末。在制备木纤维/高分子复合木材时，木质素不必象在造纸工艺中那样去掉，保留木质素正好构成复合木材的主要色调，主要是“红”、“黄”、“黑”三种基色。
　　木粉和稻壳粉磨细后的形态是不一样的，松木粉由于木质素和树脂的含量较低，质较柔韧长径比较大，呈絮状；而稻壳粉由于本质素和树脂含量较高，硬度与刚性较高，长径比较小，呈长粒状。当然，木纤维的形态与磨细手段也有关系，各种木纤维磨细后的形态差别是较大的。一般而言，木纤维的形状会影响塑／木材料的刚性，长径比愈大则刚性愈高。
　　从塑／木复合物的相态结构和外观、性能来看，上述两种木纤维并用的效果较佳。从木纤维细度来说，固然木纤维磨得越细，复合产品的光洁度越高，结构愈细密。但就木／塑复合制品而言，也不能一概求细，因为实践表明，不但木纤维宜不同形态并用，木纤维的尺寸也应考虑不同细度的木纤维并用。这样，在挤出成型过程中，木纤维在有一定程度取向的情况下，更易形成自然的木纹理。应该根据产品的性能要求去恰当组配不同材质和不同尺寸、形状的木纤维，并配以适当的加工工艺，一般木粉加工细度为80―200目。
　　2.木纤维的表面处理
　　多元复合共混改性原理指出，要配制高性能、多功能复合材料，必需充分考虑各项材料的相容性和界面结合情况，研究相界面结合能及各相材料在界面的扩散、渗透等。开发天然木纤维／高分子复合木材的实践也表明，木纤维只有在经过专用改性剂表面处理后，才能真正与高分子树脂良好粘合，获得优良的材料性能。
　　这种专用改性剂是一系列具有两亲性结构的物质，其分子中的一部分基团可与木纤维表面的化学基团反应，形成强固的化学键合；另一部分基团则与高分子树脂反应或物理缠绕，从而把两种性质不相同的材料牢固结合起来，达到塑／木复合的目的。
　　改性剂的选择除与所用木纤维的种类有关外，尚与选用的高分子树脂性质相关。实践表明，不同树脂的极性和表面性质差别很大，因此改性剂的选择必须考虑所选用的“木纤维/高分子树脂对”，具体问题，具体对待。最根本的要求是，木纤维经改性剂处理后，必须与高分子树脂相容，保证木纤维在高分子树脂中充分分散，减少因木纤维加入而引起的材料内部缺陷，增强塑／木界面相互作用能，增强塑／木两相间的亲和。
　　经验表明，在木质重组过程中，不仅需要低分子改性剂去处理木纤维表面，也要用高分子偶联剂来参与共混增容。
　　对此，我们有针对性地研究了PVC、PE、&PP、ABS等等四个高分子树脂体系中不同木纤维的改性剂处理方法，开发出天然树脂、尿醛树脂型改性剂和高分子改性剂，较好地解决了塑／木两相界面的亲和问题。
　　3.控制纤维取向形态是塑／木复合成型的关键
　　如前所述，材料的良好性能是以其特殊的内部结构为保证的。对于木纤维/高分子复合木材而言，这种特殊的内部结构除要求木纤维与高分子基体良好结合外，还要求充分体现出天然木材中纤维沿生产方向排列取向，使复合材料在结构和质感诸方面显现木材的性质。
　　理论和实践充分表明，控制木纤维在基体中的排列取向形态是塑／木复合成型技术的成败关键，是获得高性能塑／木复合材料的核心问题。一个成功的塑／木复合挤出成型产品，其木纤维应当是按流动方向取向排列的。这种取向结构与天然木材中的纤维结构有相似之处，所以产品表现出卓越的刚性、强度，同时产生了木质木感。从相态结构来看，木纤维/高分子复合挤出成型与其它木质重组产品、如中密度纤维板相比，最大的区别在于木纤维在复合材料中取向。中密度板等木质重组产品中的木纤维没有取向，因而缺少天然木材那种带方向性(各向异性)的刚性和强度，也没有舒适木质和木感。
　　木纤维的取向程度主要取决于两个因素，一是木纤维本身的长径比，二是复合材料加工过程中的力场。
　　木纤维本身一定要有一定长径比，表现出尺寸上的各向异性，以利于取向。因此木纤维并非是磨得越细越好，而希望仍保留有明显的纤维特征。
　　挤出成型过程中物料(高分子熔体及其中的增强剂)在螺杆和机头流场中通过时，受到强烈的拉伸和剪切作用，促使物料中有一定长径比的植物纤维沿流线方向取向，这是取向的原动力。这种取向又会因为高分子熔体的松弛行为而破坏(解取向)。因此纤维的取向程度取决于取向与解取向的动态平衡，与加工设备的结构及工艺条件密切相关。尤其在机头口模部分，设计时应充分考虑如何促使和保持纤维的取向度，使挤出物产生木质木感。当配方中采用不同成分、不同形态的纤维材料组合时，更应考虑如何控制和操纵适当的取向程度，使产品产生诸如木纹、棕眼等木质现象，并保证和提高产品的刚性和硬度。
　　三、加工方法的确定
　　迄今为止，加工木质重组产品的工业方&法，有木纤维含量较高的顶出法，有工艺较灵活的牵引法，也有二维方向成型的挤压联用法。对于加工木纤维/高分子复合材料而言，由于其中塑料含量较高，多采用可连续作业的特种挤出成型方法。
　　从表面看，木纤维复合挤出所需的生产线与一般塑料型材生产线没有什么不同。实际上了解其设计理念和设计参数后，就会发现，与一般塑料型材生产线相比，两者差别很大。
　　以顶出法而言，木纤维含量较高、流动性极差的物料全赖螺杆所产生的巨大压力，克服机头压力降，将型坯从口模顶出。型坯离开口模后，不需要定型模和冷却水即可定型，通道采用风冷。这样设计的原因是物料中木纤维含量大，熔体强度低，需要通过提高顶出压力，克服机头压力降，使型坯密实、硬挺。为了达到这一目的，机头流道中平直段部分一般设计得很长，并且口模中冷却降温，因此，压力降很大，而要克服这个压力降，就需要更大的挤出压力，所以螺杆、减速箱、电机所承受的扭矩很大。这就需要强度较高的螺杆，输送能力较高的机筒，速比较大的减速器和力矩很大的电机，对挤出机提出了较高的要求。这就是许多锥形逆向双螺杆挤出机和平行逆向双螺杆挤出机在采用这种工艺路线时往往扭断螺杆的主要原因。在这种工艺条件下，木质重组产品密度较大，一般在1.2g／cm左右，所以适宜生产密度较大而且密度变化不大的产品。
　　牵引法与之不同，型坯需要进入定型模才能冷却定型，因此型坯需有一定强度。牵引法虽不适宜生产木纤维含量大于50％的制品，但工艺灵活，可以辅以发泡技术来调节制品的密度；可以辅以降温技术使树脂的加工温度适应木纤维的耐热极限；可以通过配方和工艺来使制品产生木质纹理，故可以通过较细致的加工工艺开发塑／木复合产品。
　　另外，一种锥形双螺杆造粒，单螺杆挤出成型的二步法工艺路线也不容忽视，这种工艺可以把不同粘度，不同颜色，不同性质的粒料，掺混在一起挤出更有木质、木感的塑木制品。
　　此外，使用带有四个排气口的平行同等双螺杆挤出机和单螺杆挤出机配套的一步法生产线，可以加工木粉达70％的塑木复合材料，且可以不用对木粉干燥，直接加工成型，具有投资小，方法简单的优点，可以加工塑木建筑模板，集装箱底板和塑木地板等产品。
　　总之，采用何种工艺路线，应视产品的性质和最终用途而定。我们在开发木纤维/高分子复合材料中，主要采用可连续作业的特种挤出成型方法，采用自行设计的高混炼、低剪切、大扭矩的特种挤出机。根据木纤维/高分子复合材料加工特点，将机头模具设计成能灵活的打破顶出法和牵引法界限，进行工艺实验。在加工过程中，既能有效使物料中高分子组份充分塑化而又不损伤木纤维结构，又能使纤维有效取向而顺利完成塑／木复合。
　　上述加工方法，皆属挤出成型型材、板材范畴，其产品断面结构是一致的，这就有了一定局限性，使这种木质重组技术难以与家具业发生对接。因为家具组件的断面往往是变化的，为此，我们近日开发了连续挤出与间断吹塑或模压相结合的方法，成功地解决了家具部件复杂形状的成型方法。这就为这种木质重组材料进入家具领域，特别是休闲家具领域，创造了其它材料无法与之竞争的条件。
　　四、项目特点及产品技术性能指标
　　本项目旨在充分利用我国农林废弃资源，用新技术研制开发以植物纤维为主，兼具木材、塑料双重优点及其他功能，具有流变成型特征，能可逆循环利用的木纤维/高分子复合材料产品。主要特点有：
　　1.充分考虑了各种植物纤维的尺寸、形态结构，采用多种纤维复合填充；&&&&
　　2.纤维表面改性，使纤维与各种高分子材料界面亲和；
　　3.注意植物纤维受温极限与高分子材料
　　加工温度的同步性；
　　4.加强植物纤维及增强材料在高分子材料中的取向，考察取向对复合木材力学性能及表面形态的影响；
　　5.注意增强、增韧材料网络结构对复合木材抗冲击性能的影响；
　　6.开发研究专用工艺配方；
　　7.开发研究专用设备和机头、模具。
　　技术性能指标：
　　塑／木托盘超过部颁标准BB/T所规定的各项指标。角跌落实验≤4％；堆码实验≤4mm；抗弯、抗挠度值≤34mm；残余挠度值≤17mm；低铺板挠度值≤21mm；均载挠曲率≤1.5％，而且各项挠度值均达到≤4mm的向日本出口指标。
　　室内门窗和装饰装修用复合木材的指标可控制在：密度0.5―1.2g／cm3；吸水率0.34―1％；拉伸强度5―20Mpa。保持木质、木感、可锯、可刨、可钉、可粘结的木材本质。全部符合国家环保条件。
　　五、目前已开发的程度
　　已掌握和打通了木质重组技术中的关键――通过控制木纤维在复合体中排列取向，使复合材料在结构和质感诸方面显现木材的性质。这种取向结构与天然木材中的纤维结构有相似之处，所以产品表现出卓越的刚性、强度，同时产生了木质、木感。
　　本科技成果的创新点有四：一是开发了极性和非极性的天然树脂／尿醛树脂复合偶联剂和具有增容作用的高分子偶联剂，正是这二类偶联剂使我们在不同基体树脂与木纤维复合时，得心应手地完成了二相界面亲和：二是完成了一种不同性质，不同形态木纤维组合方法，这种方法使木质重组产品的木质木感更加突出：三是完成了使高分子材料的加工温度与木纤维的受热极限同步方法，保证了纤维素在复合加工过程中不遭破坏；四是开发研制了全套的塑／木挤出成型、吹塑成型、模压成型专用设备和模具，并通过设备体现出一种控制植物纤维在基体中排列取向的方法。
　　六、结论
　　1.植物纤维复合重组，完全可以成为木材资源的一个重要组成部分，而且是大势所趋。
　　2.植物纤维复合重组应兼具木质、木感和赋予新的功能，以满足社会愈来愈高的使用要求。
　　3.植物纤维与高分子材料复合是一种多学科交叉渗透的产物，不能孤立对待。
　　4.植物纤维与高分子材料复合成型产品目前尚处于开发阶段，还需要有各种新的成型方法来与各应用方面作供需条件的对接。
　　上面所述只是农林废弃资源综合利用链环中的一个加工环节。如按年加工3000吨秸杆，年产秸秆纤维2100吨，植粉900吨来计算。2100吨纤维干浆粉可以用以木质重组5000吨复合木材制品，900吨植粉可以用以生产1500吨蛋白饲料，而且没有三废排放。(刘伯元&中国塑协改性塑料专委会、徐凌秀&青岛高科园远东塑料工程有限公司)
文章摘编自：中国塑协通讯
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