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【科技日报】跟着塑料“混” 秸秆变身“木材”水火不侵
作者?#28023;?#26085;期:2019-03-29

  本报记者 江 耘 实习生 洪恒飞

  2017年,中国人造板材产量超过3亿立方米,其中60%的原材料依赖进口。与此同时,各类秸秆可收集量超过8亿吨,其中只有极少部分得?#25509;?#25928;再利用。研发植物纤维高分子复合材料,就是为了从根本上解决木材产需之间的矛盾。

  “像木材一样可钉可铆,点燃10秒后离火自灭,不会翘曲也不发生霉变,而且价格比普通木材还要低……”近期,中科院宁波材料所研究员朱锦将草本植物纤维与塑料树脂结合,研制出了一?#20013;?#22411;的仿木材料——植物纤维高分子复合材料,并?#31227;?#23545;水火还具?#23567;?#20813;疫”属性。

  “以往的原木或仿木材料,在性能优势上往往顾此失彼,?#20381;?#19981;开对木材的消耗。”朱锦告诉科技日报记者,这一材料的研制及相关技术的突破,将减少人类对木材的依赖,促进木材的可?#20013;?#21457;展。目前,研究团队通过与一家山东科企合作,已能制备出植物纤维填充量高达80%的植物纤维高分子复合材料。

  微观设计再现“古式纤维复合”

  纤维沿着生长方向排列,形成了天然木材的各向异性——木材受压时,每个细胞都相当于一根管柱,在横纹、顺纹两种情况下会表现出不同的抗压能力,导致木材便于加工的同时也容易翘曲。“但我们所研制的复合材料因为拥有高含量且不规则的植物纤维,可保证材料在横纹、顺纹方向下都具有均匀的抗压性能,这使得复合材料不会翘曲,并且植物纤维高分子复合材料密度低,可锯、可铆、可钉、可刨,加工十分灵活。”朱锦说。

  “纤维复合材料的历史可追溯至古代。古人将稻草或麦秸混入粘土增加粘土强度用以建造房屋,就是一种纤维复合材料的利用。”朱锦表示,由于秸秆难于收集处理,且易腐、易燃、易吸水,在现代复合材料中很难见到它们的身影。

  但朱锦等人研制的植物纤维高分子复合材料,却用到了古人所用的秸秆。可制作这种材料仍需要解决几个问题。

  首先,让高含量的植物纤维与塑料树脂进行充分共混,需要具有强力共混搅拌扭矩的硬件设备。“以往的木塑复合材料,以木粉作填充,填充量低于60%。而我们与山东科企合作研制的高速共混机,可通过其极强的共混搅拌扭矩,让高含量的植物纤维与塑料树脂进行充分共混,让微植物纤维填充量达80%。”朱锦解释道,这令它在复合材料中起到类?#32856;?#31563;混凝土中“钢筋”的作用,让成品的力学性能远高于市场?#31995;?#26408;塑复合材料。

  其次,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相容?#38498;?#24046;,会导?#32856;?#21512;材料表现出很大的脆性。对此,朱锦表示,团队优选了合适的相容助剂,改善亲水植物纤维与疏水性高分子树脂之间的相容性,提高?#31224;?#22312;微观层面的结合力,让植物纤维高分子复合材料具有了高强度、高模量。

  最后还有个难点。植物纤维含量一旦提高,植物纤维高分子复合材料的熔体粘度(在一定温度下熔体流动性能的好坏,粘度越大,熔体流动性?#35762;睿┮不?#30456;应增加,会使得材料在注塑过程中流动性变差,甚至无法充满模腔,最终获得的制件表面容易形成各式缺陷。为此,朱锦团队采用“内润滑”加“外润滑”的复配润滑剂体系,?#26723;?#20102;熔体的内?#31354;?#24230;,减小了熔体与设备之间的摩擦。

  独家配方增强仿木“体质”

  众所周知,植物纤维与常见的塑料?#38469;?#26131;燃品。植物纤维复合材料的阻燃问题依然是?#21040;?#38590;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?#25216;?#36827;行阻燃。

  “这种做法会产生大量的废弃溶剂?#22270;?#28082;,在环保处理方面增加了额外成本。”朱锦说,于是团队采用植物纤维与树脂基体分步阻燃化的方案,先用水对植物纤维进行简单的喷淋,再用常规的加工方法与环保型阻?#25216;粒?#20351;树脂获?#31859;?#22815;的阻燃能力,植物纤维复合材料点燃10秒后,离火便自动熄灭。

  ?#36182;?#20102;火,能否防?#20445;?

  实验团队将封闭样条浸泡在20℃的恒温水中,100天后,样条的吸水率仍然低于2%。为让样品多吸水,实验人员将挤出块材表面的塑料层切除,又进行了60天的吸水性测试,样品的吸水?#31034;?#20173;未超过20%,远低于30%的腐烂临界值。

  “这是因为在高速共混机中,高分子基体与纤维达到了非常均匀的共混,完成了对植物纤维的有效包裹。”朱锦表示,团队做了大量精密计算,才得出配方设计,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,大幅度?#26723;?#21560;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。

  “目前团队已经贯通了植物纤维高分子复合材料的整体工?#31456;废擼?#20855;备了一定的生产与制备能力,并?#20849;?#21697;在成本与使用性上取得了良好的平衡。”朱锦表示,随着研发和市场推广的深入,这款仿木产品会很快进入市场,从而促成人类将树木还给森林。(本文图片由受访单位提供)

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  仿木——技术与艺术的完美结合

  仿木是一种工艺技术,运用这种工艺技术可以生产制作出外观似实木的各种产品。国外迪士尼主题公园等场所的众多建筑用的?#38469;?#20223;木。

  从外观上看,仿木和原木制品的视觉效果不相上下,能以假?#33402;媯?#20294;使用寿命却?#23545;队?#20110;原木,经过长年风吹日晒也不会腐蚀褪色,更不会生虫,既耐用?#21482;?#20445;。

  地面、墙面、建筑外观装饰装修,亲水平台铺装,防护安全景观装饰,这些场景中仿木都可替代原木。

  仿木材质在前十年只能是模具成形,而现如今经过人们的努力已经发展成无模生产,大大?#26723;?#20102;生产成本,而且生产工艺也大大改观,克服了年久腐蚀、氧化、易损等技术难题,在我国木材资源极度匮乏的当下,仿木有成为户外园林景观装饰主流的趋势。

  (原文发?#21152;?019年3月29日《科技日报》第6版)

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

 

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