禾塑复材：将树木还给森林

　　木材是人们日常生活所需的重要材料之一。近年来，环保理念不断提升、科学技术迅速发展，人们通过不断寻求新材料，缓解对木材的依赖程度，这倒逼木材行业进行创新探索。

　　于是木材行业出现了人造板材、木塑复材。人造板材制造方法灵活、价格低廉，几乎可以满足人们日常需要。2017年，中国人造板材产量超过3亿立方米，但其中60%的原材料依赖进口。随着“双碳”战略实施，未来木材资源将进一步短缺。与此同时，我国各类秸秆可收集量超过10亿吨，其中只有极少部分得到有效再利用。如果以各类秸秆为原材料研发植物纤维高分子复合材料，不仅能够从根本上解决木材产需之间的矛盾，而且解决了“秸秆焚烧”所带来的污染问题，可谓一举两得。

　　一种创新复合材料的诞生

　　“像木材一样可钉可铆，不易变形、不易翘曲，也不发生霉变，与木材相比木材是人们日常生活所需的重要材料之一。近年来，环保理念不断提升、科学技术迅速发展，人们通过不断寻求新材料，缓解对木材的依赖程度，这倒逼木材行业进行创新探索。

　　于是木材行业出现了人造板材、木塑复材。人造板材制造方法灵活、价格低廉，几乎可以满足人们日常需要。2017年，中国人造板材产量超过3亿立方米，但其中60%的原材料依赖进口。随着“双碳”战略实施，未来木材资源将进一步短缺。与此同时，我国各类秸秆可收集量超过10亿吨，其中只有极少部分得到有效再利用。如果以各类秸秆为原材料研发植物纤维高分子复合材料，不仅能够从根本上解决木材产需之间的矛盾，而且解决了“秸秆焚烧”所带来的污染问题，可谓一举两得。

　　一种创新复合材料的诞生

　　“像木材一样可钉可铆，不易变形、不易翘曲，也不发生霉变，与木材相比对土壤和农作物的危害不容小觑。禾塑材料可以直接利用膜杆混合物，不需要膜杆分离。解决白色污染的同时还可以节省塑料。

　　然而，禾塑复合材料制备存在诸多挑战：如何把蓬松状植物纤维计量加入塑料里面? 如何解决高填充(~80%)植物纤维和树脂的界面结合? 如何解决高填充植物纤维复合材料加工流动性……朱锦研究员为我们讲述了禾塑复合材料的研发、生产和应用。

　　秸秆仿木 变废为宝

　　“以塑代木是一个非常年轻的产业，成长的历史不过30年，是一个新兴产业，作为一个人均可利用资源并不富饶的国家，我们十分需要这样一类能够充分体现科技转化为生产力的创新产品，因为它能够较好地诠释资源开发、循环使用、健康环保、可持续发展等绿色经济理念。” 朱锦研究员表示。

　　然而，人造板材虽然比原木增加了加工灵活性，但受限于其成型工艺只能制备简单构件，不能像塑料一样制备复杂构件。木塑复合材料（Wood Plastic Composites, WPC）是以木粉作为填充，填充量一般低于60%，其力学性能达不到木材的要求，易出现翘曲、变形等严重问题。朱锦研究员说，木塑复合材料还不能真正满足木材需要，达到取代木材的目的。

　　“我们能否利用植物纤维研制出真正可以替代木材的新型仿木复合材料呢？”朱锦研究员带领的生物基高分子团队开始新的尝试。

　　经过大量精密计算，团队终于得出理想的配方设计，让高达80%植物纤维含量的复合材料依然能够受到高分子基体的保护，并大幅度降低吸水性能。同时保证了植物纤维复合材料在高温湿热的情况下，依然具有良好的稳定性能，在户外可使用30年以上。

　　然而，要大规模开发并利用植物纤维材料，还需要克服诸多材料技术方面的难题。由于植物纤维具有较强的亲水性，其与疏水的高分子树脂之间的相容性很差，导致最终获得的复合材料表现出较大的脆性和力学性能差。

　　对此，朱锦团队利用相容助剂解决了这一难题。通过团队的优选，他们找到了合适的相容助剂，有效地改善亲水植物纤维与疏水性高分子树脂之间的相容性。

　　但是，随着植物纤维含量的提高，植物纤维高分子复合材料表面容易形成各种缺陷。比如，因流动性欠佳出现的无法连续挤出、挤出后形状不稳定等问题。朱锦团队最终的解决方案是采用“内润滑”加“外润滑”的复配润滑剂体系，终于顺利实现了板材的连续化挤出。

　　此外，植物纤维与常见的塑料都是易燃品，阻燃问题也是一大难题。很多研究者通过有机溶剂或者碱液处理纤维，破坏纤维表面的结构，然后加入阻燃剂进行阻燃。

　　“这种做法会产生大量的废弃溶剂和碱液，在环保处理方面增加了额外成本。”朱锦研究员说，于是团队采用植物纤维与树脂基体分步阻燃化的方案，先用含有阻燃剂的水溶液对植物纤维进行简单的喷淋预处理，再用常规的加工方法与环保型阻燃剂混合，使复合材料获得足够的阻燃性能。通过科学的阻燃评价，高填充的植物纤维复合材料达到了V0级的阻燃效果。

　　能够防火，防潮性能如何呢？对此，实验团队将封闭的样条浸泡在20℃的恒温水中，经过100天后，样条的吸水率保持在2%以下。研究人员将材料表面的塑料层去除后，又进行了60天的吸水性测试，样品的吸水率均仍未低于20%，远未达到30%的腐烂临界值。

　　解决加工中的难题

　　如何集中收集，如何高效破碎，如何与树脂基体均匀混合，是植物纤维制备加工领域的几大难点。朱锦研究员以秸秆为例说，秸秆收集成本较高、杂质较多，最后的综合化利用也比较困难，农业化的机械设备可以初步破碎这类秸秆，但是其细腻程度距离复合材料的制备依然比较遥远。在与塑料树脂均匀混合的问题上，常用双螺杆加工设备在定量下料等问题上存在诸多障碍。

　　朱锦团队通过研究发现，要解决以上问题，首先需要小型化的装备，可以在一定地域范围多点生产；其次，要有高效的纤维破碎方法，让秸秆或者麻类纤维里的微观纤维通过破碎的过程从主干中分离出来；最后，设备需要有非常强的共混搅拌扭矩才能让高含量的植物纤维与塑料树脂进行充分共混。

　　为此，宁波材料所与山东潍坊云鼎新材料有限公司合作开发了一套高速共混设备，可以在一个工艺步骤内解决以上问题。朱锦研究员说：“该设备可以成功制备出植物纤维填充量高达80%的热塑性复合材料，通过原料共混和自动切粒后所形成的复合材料颗粒，可以通过常规的塑料成型工艺进行产品的生产。”

　　这样一来，禾塑复合材料（HPC）的生产工艺难点终于得到解决，秸秆、芦苇等生物产品只需要经过简单破碎，混合、挤出后即可成型型材产品。

　　由禾塑复合材料制造的地板、装饰板、铺面料及护栏等产品均能通过国家建筑装修材料质量监督检验中心的检验，产品的抗蠕变恢复率达到84%、握螺钉力超过2800 N、抗冻融性弯曲破坏载荷保留率高达96%、可溶性有害重金属（包括铅、镉、铬、汞）含量全面均低于0.5 mg/kg。产品使用寿命超过30年。

　　目前，由吉林禾迪科技有限公司生产的禾塑复合材料，已经投放市场。

　　朱锦研究员表示，禾塑材料的应用能大量减少森林资源消耗，减少塑料零部件石化含量，降低二氧化碳排放量，符合京都条约协定，符合欧共体处理废物要求，属于社会倡导的环保型产品。我国的木材加工工业和塑料工业十分发达，禾塑材料以其优良的物理特性和环保特性受到欢迎，可以替代获得广泛应用的木制品和塑料行业。禾塑材料及其制品具备性能和成本的双重优势，具有明显的竞争力，随着技术的提高和质量的改善及生产能力的提高，禾塑产品的市场前景极为广阔。

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