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【科技日報】跟著塑料“混” 秸稈變身“木材”水火不侵
作者:,日期:2019-03-29

  本報記者 江 耘 實習生 洪恒飛

  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復合材料,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秒后離火自滅,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料樹脂結合,研制出了一種新型的仿木材料——植物纖維高分子復合材料,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,并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。”朱錦說。

  “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。

  最后還有個難點。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,朱錦團隊采用“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堿液處理纖維,破壞纖維表面的結構,然后加入阻燃劑進行阻燃。

  “這種做法會產生大量的廢棄溶劑和堿液,在環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,具備了一定的生產與制備能力,并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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  仿木——技術與藝術的完美結合

  仿木是一種工藝技術,運用這種工藝技術可以生產制作出外觀似實木的各種產品。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產,大大降低了生產成本,而且生產工藝也大大改觀,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,仿木有成為戶外園林景觀裝飾主流的趨勢。

  (原文發布于2019年3月29日《科技日報》第6版)

  【原文鏈接】http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2019-03/29/content_418283.htm?div=-1

 

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