植物纖維高分子複合仿木產品
植物纖維高分子複合材料製備過程
2017年，中國人造板材產量超過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複合材料，就是為了從根本上解決木材產需之間的矛盾。
“像木材一樣可釘可鉚，點燃10秒後離火自滅，不會翹曲也不發生黴變，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合，研製出了一種新型的仿木材料——植物纖維高分子複合材料，並且其對水火還具有“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，這一材料的研製及相關技術的突破，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，已能製備出植物纖維填充量高達80%的植物纖維高分子複合材料。
微觀設計再現“古式纖維複合”
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，每個細胞都相當於一根管柱，在橫紋、順紋兩種情況下會表現出不同的抗壓能力，導致木材便於加工的同時也容易翹曲。“但我們所研製的複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，這使得複合材料不會翹曲，並且植物纖維高分子複合材料密度低，可鋸、可鉚、可釘、可刨，加工十分靈活。”朱錦說。
“纖維複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，就是一種纖維複合材料的利用。”朱錦表示，由於秸稈難於收集處理，且易腐、易燃、易吸水，在現代複合材料中很難見到它們的身影。
但朱錦等人研製的植物纖維高分子複合材料，卻用到了古人所用的秸稈。可製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備。“以往的木塑複合材料，以木粉作填充，填充量低於60%。而我們與山東科企合作研製的高速共混機，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，這令它在複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於市場上的木塑複合材料。
其次，由於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，會導制複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，讓植物纖維高分子複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，植物纖維高分子複合材料的熔體粘度（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，最終獲得的製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”的復配潤滑劑體系，降低了熔體的內部粘度，減小了熔體與設備之間的摩擦。
獨家配方增強仿木“體質”
眾所周知，植物纖維與常見的塑料都是易燃品。植物纖維複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。
“這種做法會產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。”朱錦說，於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，植物纖維複合材料點燃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℃的恆溫水中，100天后，樣條的吸水率仍然低於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%，遠低於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%植物纖維含量的複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複合材料在高溫溼熱的情況下，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複合材料的整體工藝路線，具備了一定的生產與製備能力，並使產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，這款仿木產品會很快進入市場，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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