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跟著塑料“混” 秸稈變身“木材”水火不侵
2019-03-29 08:33:19 來源: 科技日報
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  植物纖維高分子復合仿木產品

  植物纖維高分子復合材料制備過程

  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(fā)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(fā)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(yōu)勢上往往顧此失彼,且離不開對木材的消耗,?!敝戾\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(xù)發(fā)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(xiàn)“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(xiàn)出不同的抗壓能力,,導致木材便于加工的同時也容易翹曲?!暗覀兯兄频膹秃喜牧弦驗閾碛懈吆壳也灰?guī)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,?!敝戾\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?!敝戾\表示,,由于秸稈難于收集處理,且易腐,、易燃,、易吸水,在現(xiàn)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??芍谱鬟@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%,?!敝戾\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(xiàn)出很大的脆性。對此,,朱錦表示,,團隊優(yōu)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(yè)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(huán)保處理方面增加了額外成本?!敝戾\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(guī)的加工方法與環(huán)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(wěn)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,?!敝戾\表示,隨著研發(fā)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(yōu)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(huán)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(xiàn)如今經過人們的努力已經發(fā)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。(記者 江耘 實習生 洪恒飛

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【糾錯】 責任編輯: 劉陽
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