植物纖維／高分子 復(fù)合木材的研究與開發(fā)
一、問題的提出和研究新思路
隨著環(huán)保政策進一步加強，我國木材資源政策已從天然林為主轉(zhuǎn)向人工林為主，原始大徑木材資源銳減，木質(zhì)重組產(chǎn)品成為當前木材資源的重要補充。在中國科學(xué)院《2002高技術(shù)發(fā)展報告》中，將木質(zhì)重組技術(shù)列為我國木材資源利用的重要發(fā)展方向。
作為木質(zhì)重組領(lǐng)域的一個重要組成部分，植物纖維與高分子材料復(fù)合木材(又稱“塑／木”材料)具有特殊重要的意義。隨著人們對木質(zhì)材料及木制品的質(zhì)量、性能、功能和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性的要求越來越高，今天的木質(zhì)材料重組與復(fù)合已不能簡單理解成幾種物料的混合或再利用，不能單純地只注重基本力學(xué)性質(zhì)的改進，更要注重在重組與復(fù)合中，賦予新材料以新的功能，提升材料的附加值。植物纖維與高分子復(fù)合木材正是在這一理念指導(dǎo)下研制開發(fā)的，以植物纖維為主，兼具木材、塑料雙重優(yōu)點及其他功能，具有流變成型特征，能可逆循環(huán)利用的木質(zhì)重組產(chǎn)品。
出于環(huán)保和資源的考慮，本項目把用于木質(zhì)重組的植物纖維來源定位在木屑、竹屑、稻殼、麥殼、麥秸、花生殼、大豆殼、甘蔗渣等纖維素構(gòu)成的材料上。高分子材料確定為聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、ABS等通用樹脂產(chǎn)品。
總結(jié)近年來國內(nèi)外塑／木材料復(fù)合成型技術(shù)及應(yīng)用方面的有關(guān)資料和文獻報道，可以看到世界范圍內(nèi)大約有三種不同的研究思路和技術(shù)。
一是強調(diào)復(fù)合材料中木纖維含量極高(達60％—90％)，樹脂只起粘結(jié)劑的作用，型坯在冷卻前強度很低，完全依賴物料密度堆積的擠壓頂出成型。這類產(chǎn)品主要用于替代一些傳統(tǒng)的實木產(chǎn)品和中密度板類產(chǎn)品，也用于包裝型材、板材，園林用型材、板材，貨運用托盤等塑／木產(chǎn)品；
二是不追求木纖維的高含量，而追求復(fù)合材料木質(zhì)、木感的完美性。所采用的生產(chǎn)工藝較細致，充分把高分子材料技術(shù)、塑料加工技術(shù)、填充技術(shù)、發(fā)泡技術(shù)與木質(zhì)重組要求結(jié)合起來，主要用于生產(chǎn)家具、裝飾裝修用型材和板材；
第三種思路的技術(shù)含量更高，主張木纖維復(fù)合材料的研究開發(fā)應(yīng)在保持木質(zhì)木感的前提下，改善木質(zhì)材料的基本性質(zhì)并賦予其新的功能。這三種不同的思路和技術(shù)，走著不同的工藝路線，采用的設(shè)備結(jié)構(gòu)和形式也不盡相同。
貨運中大量使用的塑／木托盤，是第一種情況典型產(chǎn)品代表。這是一種以稻殼和木粉高填充HDPE的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品外觀粗陋，只追求降低成本和使用效果。實際上“使用效果”只有當材料性質(zhì)符合使用要求時，才算達到使用效果。而一旦產(chǎn)品的使用要求高于材料性質(zhì)，即失去了使用效果。如傳統(tǒng)使用鋼貨運托盤的日本，曾提出一個大量進口塑／木貨運托盤以取代鋼托盤的計劃，但用戶對塑／木托盤提出一個鋼托盤的指標——兩噸動載變形限度不大于4mm，結(jié)果各塑／木托盤廠家的產(chǎn)品均不合格，達不到使用效果。其實從增強改性技術(shù)和受力結(jié)構(gòu)的角度看，達到上述指標是不難的。所以說，簡單的高填充塑／木復(fù)合不是我們的目標。
第二種情況是人們愿意接受的，因為這種思路的著眼點在于突出木材自身的優(yōu)良特性。如以木材的顏色、光澤、紋理為表征的視覺特征；以木材的冷暖感、平滑感為表征的觸感特性；木材的隔音和緩沖性；對溫度和濕度的調(diào)節(jié)性；以及易腐爛、變質(zhì)、發(fā)霉、蟲害、衛(wèi)生等木材特征。在利用天然纖維木質(zhì)素和高分子材料進行復(fù)合重組時，充分利用塑料加工技術(shù)的優(yōu)勢，去體現(xiàn)上述那些木材的優(yōu)良特性，避免不良特性，是人們刻意追求的目標。在這方面，日本的生產(chǎn)規(guī)模雖然不大，卻做的比較出色，主要表現(xiàn)在家具型材和裝飾材料的細膩性與多樣性諸方面。
本項目所進行研究的主要思路屬于第三種情況。我們查閱了國內(nèi)外相關(guān)報道與文獻資料數(shù)十篇，發(fā)現(xiàn)許多工作雖各有特色，但總的來看，尚未發(fā)現(xiàn)在開發(fā)木纖維復(fù)合重組技術(shù)中有關(guān)于如何提高材料物理機械性能硬指標及如何賦予材料新功能的系統(tǒng)、科學(xué)的報道。人們多偏重于研究木質(zhì)纖維的含量達到的比例及如何加工成型等問題，而沒有反應(yīng)出在開發(fā)木纖維復(fù)合重組技術(shù)中的核心科學(xué)問題及各相關(guān)學(xué)科的交叉、滲透。例如關(guān)于對各種木質(zhì)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的研究；關(guān)于在與不同樹脂復(fù)合時，對木質(zhì)纖維表面處理、架設(shè)分子橋的研究；關(guān)于與塑料物理改性和化學(xué)改性方面配合的研究等。根據(jù)以上情況，我們針對木纖維復(fù)合重組這一課題，提出一系列新的研究思路，制定相應(yīng)的解決措施，開發(fā)有獨立知識產(chǎn)權(quán)的塑／木復(fù)合重組新技術(shù)。即在注重保持優(yōu)良木質(zhì)木感的前提下，兼顧改善木質(zhì)材料的基本性質(zhì)并賦予其新的功能。一切工作，包括對木纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的選擇，偶聯(lián)處理，樹脂選擇與改性、助劑配合、加工工藝、機械手段等各環(huán)節(jié)全部圍繞這一總體思路展開。
二、研制過程中所解決的幾個關(guān)鍵問題
國外一著名材料專家曾說過：“任何結(jié)構(gòu)材料的外延性能，都由其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特點所決定。材料性能的任何變化，都可以追溯到其內(nèi)部某層次結(jié)構(gòu)的變化上”。天然木纖維／高分子復(fù)合木材也是如此，要開發(fā)具有高性 能、新性能的復(fù)合木材，首先要對材料的微觀、亞微觀(介觀)結(jié)構(gòu)，包括木纖維及其他組分的尺寸、形態(tài)和性質(zhì)；木纖維的表面改性及纖維與樹脂的界面結(jié)合；復(fù)合體的相形態(tài)結(jié)構(gòu)等進行正確設(shè)計和系統(tǒng)研究。在這種多相分散復(fù)合體系研究中，體系的流變性能、制備方法、加工條件也都和產(chǎn)品的相態(tài)結(jié)構(gòu)及理化性能有千絲萬縷的聯(lián)系，有時加工條件的影響是決定性的。上述關(guān)系可以用圖1來表達：
圖1：制品理化性能與材料的流變性能、加工條件、制備方法及相關(guān)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系圖
1.常用木纖維的性質(zhì)及形態(tài)
最常用的木纖維是木粉和稻殼，其主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素羥基和油及木醋酸(后三種又稱樹脂)。其中纖維素構(gòu)成植物細胞壁的骨架，半纖維素包繞在植物細胞纖維的外方，木質(zhì)素羥基和油及木醋酸集中于植物細胞壁之間，起到增強細胞壁、粘合纖維的作用。常見木粉中纖維素的含量占 40％—55％左右，木質(zhì)素的含量在針葉材中為24％—34％，在闊葉材中為12％—22％。而稻殼中纖維素含量較低、木質(zhì)素含量較高，所以韌性較差。纖維干漿是較理想的材料，其長徑比較大，故性能較優(yōu)越。
纖維素作為一種天然高分子化合物，呈白色，密度為1.50—1.56g／cm3，比熱為1.33—1.38KJ(Kg·K)，其耐熱溫度在160℃以下。高于這個溫度，會因為脫水而逐漸焦化。在一定壓力及水共熱條件下，纖維素會逐漸發(fā)生降解。纖維素的這些性質(zhì)是我們在復(fù)合成型過程中制定配方和加工工藝的重要參數(shù)。
木質(zhì)素是一種天然的芳香族高分子化合物，為黃褐色無定型粉末。在制備木纖維/高分子復(fù)合木材時，木質(zhì)素不必象在造紙工藝中那樣去掉，保留木質(zhì)素正好構(gòu)成復(fù)合木材的主要色調(diào)，主要是“紅”、“黃”、“黑”三種基色。
木粉和稻殼粉磨細后的形態(tài)是不一樣的，松木粉由于木質(zhì)素和樹脂的含量較低，質(zhì)較柔韌長徑比較大，呈絮狀；而稻殼粉由于本質(zhì)素和樹脂含量較高，硬度與剛性較高，長徑比較小，呈長粒狀。當然，木纖維的形態(tài)與磨細手段也有關(guān)系，各種木纖維磨細后的形態(tài)差別是較大的。一般而言，木纖維的形狀會影響塑／木材料的剛性，長徑比愈大則剛性愈高。
從塑／木復(fù)合物的相態(tài)結(jié)構(gòu)和外觀、性能來看，上述兩種木纖維并用的效果較佳。從木纖維細度來說，固然木纖維磨得越細，復(fù)合產(chǎn)品的光潔度越高，結(jié)構(gòu)愈細密。但就木／塑復(fù)合制品而言，也不能一概求細，因為實踐表明，不但木纖維宜不同形態(tài)并用，木纖維的尺寸也應(yīng)考慮不同細度的木纖維并用。這樣，在擠出成型過程中，木纖維在有一定程度取向的情況下，更易形成自然的木紋理。應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的性能要求去恰當組配不同材質(zhì)和不同尺寸、形狀的木纖維，并配以適當?shù)募庸すに?，一般木粉加工細度?0—200目。
2.木纖維的表面處理
多元復(fù)合共混改性原理指出，要配制高性能、多功能復(fù)合材料，必需充分考慮各項材料的相容性和界面結(jié)合情況，研究相界面結(jié)合能及各相材料在界面的擴散、滲透等。開發(fā)天然木纖維／高分子復(fù)合木材的實踐也表明，木纖維只有在經(jīng)過專用改性劑表面處理后，才能真正與高分子樹脂良好粘合，獲得優(yōu)良的材料性能。
這種專用改性劑是一系列具有兩親性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其分子中的一部分基團可與木纖維表面的化學(xué)基團反應(yīng)，形成強固的化學(xué)鍵合；另一部分基團則與高分子樹脂反應(yīng)或物理纏繞，從而把兩種性質(zhì)不相同的材料牢固結(jié)合起來，達到塑／木復(fù)合的目的。
改性劑的選擇除與所用木纖維的種類有關(guān)外，尚與選用的高分子樹脂性質(zhì)相關(guān)。實踐表明，不同樹脂的極性和表面性質(zhì)差別很大，因此改性劑的選擇必須考慮所選用的“木纖維/高分子樹脂對”，具體問題，具體對待。最根本的要求是，木纖維經(jīng)改性劑處理后，必須與高分子樹脂相容，保證木纖維在高分子樹脂中充分分散，減少因木纖維加入而引起的材料內(nèi)部缺陷，增強塑／木界面相互作用能，增強塑／木兩相間的親和。
經(jīng)驗表明，在木質(zhì)重組過程中，不僅需要低分子改性劑去處理木纖維表面，也要用高分子偶聯(lián)劑來參與共混增容。
對此，我們有針對性地研究了PVC、PE、 PP、ABS等等四個高分子樹脂體系中不同木纖維的改性劑處理方法，開發(fā)出天然樹脂、尿醛樹脂型改性劑和高分子改性劑，較好地解決了塑／木兩相界面的親和問題。
3.控制纖維取向形態(tài)是塑／木復(fù)合成型的關(guān)鍵
如前所述，材料的良好性能是以其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為保證的。對于木纖維/高分子復(fù)合木材而言，這種特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)除要求木纖維與高分子基體良好結(jié)合外，還要求充分體現(xiàn)出天然木材中纖維沿生產(chǎn)方向排列取向，使復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和質(zhì)感諸方面顯現(xiàn)木材的性質(zhì)。
理論和實踐充分表明，控制木纖維在基體中的排列取向形態(tài)是塑／木復(fù)合成型技術(shù)的成敗關(guān)鍵，是獲得高性能塑／木復(fù)合材料的核心問題。一個成功的塑／木復(fù)合擠出成型產(chǎn)品，其木纖維應(yīng)當是按流動方向取向排列的。這種取向結(jié)構(gòu)與天然木材中的纖維結(jié)構(gòu)有相似之處，所以產(chǎn)品表現(xiàn)出卓越的剛性、強度，同時產(chǎn)生了木質(zhì)木感。從相態(tài)結(jié)構(gòu)來看，木纖維/高分子復(fù)合擠出成型與其它木質(zhì)重組產(chǎn)品、如中密度纖維板相比，最大的區(qū)別在于木纖維在復(fù)合材料中取向。中密度板等木質(zhì)重組產(chǎn)品中的木纖維沒有取向，因而缺少天然木材那種帶方向性(各向異性)的剛性和強度，也沒有舒適木質(zhì)和木感。
木纖維的取向程度主要取決于兩個因素，一是木纖維本身的長徑比，二是復(fù)合材料加工過程中的力場。
木纖維本身一定要有一定長徑比，表現(xiàn)出尺寸上的各向異性，以利于取向。因此木纖維并非是磨得越細越好，而希望仍保留有明顯的纖維特征。
擠出成型過程中物料(高分子熔體及其中的增強劑)在螺桿和機頭流場中通過時，受到強烈的拉伸和剪切作用，促使物料中有一定長徑比的植物纖維沿流線方向取向，這是取向的原動力。這種取向又會因為高分子熔體的松弛行為而破壞(解取向)。因此纖維的取向程度取決于取向與解取向的動態(tài)平衡，與加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工藝條件密切相關(guān)。尤其在機頭口模部分，設(shè)計時應(yīng)充分考慮如何促使和保持纖維的取向度，使擠出物產(chǎn)生木質(zhì)木感。當配方中采用不同成分、不同形態(tài)的纖維材料組合時，更應(yīng)考慮如何控制和操縱適當?shù)娜∠虺潭?，使產(chǎn)品產(chǎn)生諸如木紋、棕眼等木質(zhì)現(xiàn)象，并保證和提高產(chǎn)品的剛性和硬度。
三、加工方法的確定
迄今為止，加工木質(zhì)重組產(chǎn)品的工業(yè)方 法，有木纖維含量較高的頂出法，有工藝較靈活的牽引法，也有二維方向成型的擠壓聯(lián)用法。對于加工木纖維/高分子復(fù)合材料而言，由于其中塑料含量較高，多采用可連續(xù)作業(yè)的特種擠出成型方法。
從表面看，木纖維復(fù)合擠出所需的生產(chǎn)線與一般塑料型材生產(chǎn)線沒有什么不同。實際上了解其設(shè)計理念和設(shè)計參數(shù)后，就會發(fā)現(xiàn)，與一般塑料型材生產(chǎn)線相比，兩者差別很大。
以頂出法而言，木纖維含量較高、流動性極差的物料全賴螺桿所產(chǎn)生的巨大壓力，克服機頭壓力降，將型坯從口模頂出。型坯離開口模后，不需要定型模和冷卻水即可定型，通道采用風冷。這樣設(shè)計的原因是物料中木纖維含量大，熔體強度低，需要通過提高頂出壓力，克服機頭壓力降，使型坯密實、硬挺。為了達到這一目的，機頭流道中平直段部分一般設(shè)計得很長，并且口模中冷卻降溫，因此，壓力降很大，而要克服這個壓力降，就需要更大的擠出壓力，所以螺桿、減速箱、電機所承受的扭矩很大。這就需要強度較高的螺桿，輸送能力較高的機筒，速比較大的減速器和力矩很大的電機，對擠出機提出了較高的要求。這就是許多錐形逆向雙螺桿擠出機和平行逆向雙螺桿擠出機在采用這種工藝路線時往往扭斷螺桿的主要原因。在這種工藝條件下，木質(zhì)重組產(chǎn)品密度較大，一般在1.2g／cm左右，所以適宜生產(chǎn)密度較大而且密度變化不大的產(chǎn)品。
牽引法與之不同，型坯需要進入定型模才能冷卻定型，因此型坯需有一定強度。牽引法雖不適宜生產(chǎn)木纖維含量大于50％的制品，但工藝靈活，可以輔以發(fā)泡技術(shù)來調(diào)節(jié)制品的密度；可以輔以降溫技術(shù)使樹脂的加工溫度適應(yīng)木纖維的耐熱極限；可以通過配方和工藝來使制品產(chǎn)生木質(zhì)紋理，故可以通過較細致的加工工藝開發(fā)塑／木復(fù)合產(chǎn)品。
另外，一種錐形雙螺桿造粒，單螺桿擠出成型的二步法工藝路線也不容忽視，這種工藝可以把不同粘度，不同顏色，不同性質(zhì)的粒料，摻混在一起擠出更有木質(zhì)、木感的塑木制品。
此外，使用帶有四個排氣口的平行同等雙螺桿擠出機和單螺桿擠出機配套的一步法生產(chǎn)線，可以加工木粉達70％的塑木復(fù)合材料，且可以不用對木粉干燥，直接加工成型，具有投資小，方法簡單的優(yōu)點，可以加工塑木建筑模板，集裝箱底板和塑木地板等產(chǎn)品。
總之，采用何種工藝路線，應(yīng)視產(chǎn)品的性質(zhì)和最終用途而定。我們在開發(fā)木纖維/高分子復(fù)合材料中，主要采用可連續(xù)作業(yè)的特種擠出成型方法，采用自行設(shè)計的高混煉、低剪切、大扭矩的特種擠出機。根據(jù)木纖維/高分子復(fù)合材料加工特點，將機頭模具設(shè)計成能靈活的打破頂出法和牽引法界限，進行工藝實驗。在加工過程中，既能有效使物料中高分子組份充分塑化而又不損傷木纖維結(jié)構(gòu)，又能使纖維有效取向而順利完成塑／木復(fù)合。
上述加工方法，皆屬擠出成型型材、板材范疇，其產(chǎn)品斷面結(jié)構(gòu)是一致的，這就有了一定局限性，使這種木質(zhì)重組技術(shù)難以與家具業(yè)發(fā)生對接。因為家具組件的斷面往往是變化的，為此，我們近日開發(fā)了連續(xù)擠出與間斷吹塑或模壓相結(jié)合的方法，成功地解決了家具部件復(fù)雜形狀的成型方法。這就為這種木質(zhì)重組材料進入家具領(lǐng)域，特別是休閑家具領(lǐng)域，創(chuàng)造了其它材料無法與之競爭的條件。
四、項目特點及產(chǎn)品技術(shù)性能指標
本項目旨在充分利用我國農(nóng)林廢棄資源，用新技術(shù)研制開發(fā)以植物纖維為主，兼具木材、塑料雙重優(yōu)點及其他功能，具有流變成型特征，能可逆循環(huán)利用的木纖維/高分子復(fù)合材料產(chǎn)品。主要特點有：
1.充分考慮了各種植物纖維的尺寸、形態(tài)結(jié)構(gòu)，采用多種纖維復(fù)合填充；
2.纖維表面改性，使纖維與各種高分子材料界面親和；
3.注意植物纖維受溫極限與高分子材料
加工溫度的同步性；
4.加強植物纖維及增強材料在高分子材料中的取向，考察取向?qū)?fù)合木材力學(xué)性能及表面形態(tài)的影響；
5.注意增強、增韌材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對復(fù)合木材抗沖擊性能的影響；
6.開發(fā)研究專用工藝配方；
7.開發(fā)研究專用設(shè)備和機頭、模具。
技術(shù)性能指標：
塑／木托盤超過部頒標準BB/T0020—2001所規(guī)定的各項指標。角跌落實驗≤4％；堆碼實驗≤4mm；抗彎、抗撓度值≤34mm；殘余撓度值≤17mm；低鋪板撓度值≤21mm；均載撓曲率≤1.5％，而且各項撓度值均達到≤4mm的向日本出口指標。
室內(nèi)門窗和裝飾裝修用復(fù)合木材的指標可控制在：密度0.5—1.2g／cm3；吸水率0.34—1％；拉伸強度5—20Mpa。保持木質(zhì)、木感、可鋸、可刨、可釘、可粘結(jié)的木材本質(zhì)。全部符合國家環(huán)保條件。
五、目前已開發(fā)的程度
已掌握和打通了木質(zhì)重組技術(shù)中的關(guān)鍵——通過控制木纖維在復(fù)合體中排列取向，使復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和質(zhì)感諸方面顯現(xiàn)木材的性質(zhì)。這種取向結(jié)構(gòu)與天然木材中的纖維結(jié)構(gòu)有相似之處，所以產(chǎn)品表現(xiàn)出卓越的剛性、強度，同時產(chǎn)生了木質(zhì)、木感。
本科技成果的創(chuàng)新點有四：一是開發(fā)了極性和非極性的天然樹脂／尿醛樹脂復(fù)合偶聯(lián)劑和具有增容作用的高分子偶聯(lián)劑，正是這二類偶聯(lián)劑使我們在不同基體樹脂與木纖維復(fù)合時，得心應(yīng)手地完成了二相界面親和：二是完成了一種不同性質(zhì)，不同形態(tài)木纖維組合方法，這種方法使木質(zhì)重組產(chǎn)品的木質(zhì)木感更加突出：三是完成了使高分子材料的加工溫度與木纖維的受熱極限同步方法，保證了纖維素在復(fù)合加工過程中不遭破壞；四是開發(fā)研制了全套的塑／木擠出成型、吹塑成型、模壓成型專用設(shè)備和模具，并通過設(shè)備體現(xiàn)出一種控制植物纖維在基體中排列取向的方法。
六、結(jié)論
1.植物纖維復(fù)合重組，完全可以成為木材資源的一個重要組成部分，而且是大勢所趨。
2.植物纖維復(fù)合重組應(yīng)兼具木質(zhì)、木感和賦予新的功能，以滿足社會愈來愈高的使用要求。
3.植物纖維與高分子材料復(fù)合是一種多學(xué)科交叉滲透的產(chǎn)物，不能孤立對待。
4.植物纖維與高分子材料復(fù)合成型產(chǎn)品目前尚處于開發(fā)階段，還需要有各種新的成型方法來與各應(yīng)用方面作供需條件的對接。
上面所述只是農(nóng)林廢棄資源綜合利用鏈環(huán)中的一個加工環(huán)節(jié)。如按年加工3000噸秸桿，年產(chǎn)秸稈纖維2100噸，植粉900噸來計算。2100噸纖維干漿粉可以用以木質(zhì)重組5000噸復(fù)合木材制品，900噸植粉可以用以生產(chǎn)1500噸蛋白飼料，而且沒有三廢排放。(劉伯元 中國塑協(xié)改性塑料專委會、徐凌秀 青島高科園遠東塑料工程有限公司)
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