luda 植物纤维高分子复合仿木产品
植物纤维高分子复合材料制备过程
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到有效再利用。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，研制出了一种新型的仿木材料——植物纤维高分子复合材料，并且其对水火还具有“免疫”属性。
“以往的原木或仿木材料，在性能优势上往往顾此失彼，且离不开对木材的消耗。”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，促进木材的可持续发展。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似钢筋混凝土中“钢筋”的作用，让成品的力学性能远高于市场上的木塑复合材料。
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性很差，会导制复合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，提高两者在微观层面的结合力，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，熔体流动性越差）也会相应增加，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，降低了熔体的内部粘度，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都是易燃品。植物纤维复合材料的阻燃问题依然是业界难题，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燃剂，使树脂获得足够的阻燃能力，植物纤维复合材料点燃10秒后，离火便自动熄灭。
防得了火，能否防潮？
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，样品的吸水率均仍未超过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。
“目前团队已经贯通了植物纤维高分子复合材料的整体工艺路线，具备了一定的生产与制备能力，并使产品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）