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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(lái)源: 科技日?qǐng)?bào)
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  植物纖維高分子復(fù)合仿木產(chǎn)品

  植物纖維高分子復(fù)合材料制備過程

  2017年,中國(guó)人造板材產(chǎn)量超過3億立方米,其中60%的原材料依賴進(jìn)口。與此同時(shí),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(fù)合材料,就是為了從根本上解決木材產(chǎn)需之間的矛盾。

  “像木材一樣可釘可鉚,點(diǎn)燃10秒后離火自滅,不會(huì)翹曲也不發(fā)生霉變,而且價(jià)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(jié)合,研制出了一種新型的仿木材料——植物纖維高分子復(fù)合材料,并且其對(duì)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(shì)上往往顧此失彼,且離不開對(duì)木材的消耗?!敝戾\告訴科技日?qǐng)?bào)記者,這一材料的研制及相關(guān)技術(shù)的突破,將減少人類對(duì)木材的依賴,促進(jìn)木材的可持續(xù)發(fā)展。目前,研究團(tuán)隊(duì)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(dá)80%的植物纖維高分子復(fù)合材料。

  微觀設(shè)計(jì)再現(xiàn)“古式纖維復(fù)合”

  纖維沿著生長(zhǎng)方向排列,形成了天然木材的各向異性——木材受壓時(shí),每個(gè)細(xì)胞都相當(dāng)于一根管柱,在橫紋、順紋兩種情況下會(huì)表現(xiàn)出不同的抗壓能力,導(dǎo)致木材便于加工的同時(shí)也容易翹曲?!暗覀兯兄频膹?fù)合材料因?yàn)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(fù)合材料不會(huì)翹曲,并且植物纖維高分子復(fù)合材料密度低,可鋸、可鉚、可釘、可刨,加工十分靈活?!敝戾\說(shuō)。

  “纖維復(fù)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(qiáng)度用以建造房屋,就是一種纖維復(fù)合材料的利用。”朱錦表示,由于秸稈難于收集處理,且易腐、易燃、易吸水,在現(xiàn)代復(fù)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(fù)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(gè)問題。

  首先,讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進(jìn)行充分共混,需要具有強(qiáng)力共混攪拌扭矩的硬件設(shè)備?!耙酝哪舅軓?fù)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(jī),可通過其極強(qiáng)的共混攪拌扭矩,讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進(jìn)行充分共混,讓微植物纖維填充量達(dá)80%。”朱錦解釋道,這令它在復(fù)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(xué)性能遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上的木塑復(fù)合材料。

  其次,由于植物纖維具有較強(qiáng)的親水性,其與疏水的高分子樹脂之間相容性很差,會(huì)導(dǎo)制復(fù)合材料表現(xiàn)出很大的脆性。對(duì)此,朱錦表示,團(tuán)隊(duì)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(jié)合力,讓植物纖維高分子復(fù)合材料具有了高強(qiáng)度、高模量。

  最后還有個(gè)難點(diǎn)。植物纖維含量一旦提高,植物纖維高分子復(fù)合材料的熔體粘度(在一定溫度下熔體流動(dòng)性能的好壞,粘度越大,熔體流動(dòng)性越差)也會(huì)相應(yīng)增加,會(huì)使得材料在注塑過程中流動(dòng)性變差,甚至無(wú)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(tuán)隊(duì)采用“內(nèi)潤(rùn)滑”加“外潤(rùn)滑”的復(fù)配潤(rùn)滑劑體系,降低了熔體的內(nèi)部粘度,減小了熔體與設(shè)備之間的摩擦。

  獨(dú)家配方增強(qiáng)仿木“體質(zhì)”

  眾所周知,植物纖維與常見的塑料都是易燃品。植物纖維復(fù)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(jī)溶劑或者堿液處理纖維,破壞纖維表面的結(jié)構(gòu),然后加入阻燃劑進(jìn)行阻燃。

  “這種做法會(huì)產(chǎn)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(shuō),于是團(tuán)隊(duì)采用植物纖維與樹脂基體分步阻燃化的方案,先用水對(duì)植物纖維進(jìn)行簡(jiǎn)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(fù)合材料點(diǎn)燃10秒后,離火便自動(dòng)熄滅。

  防得了火,能否防潮?

  實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)人員將擠出塊材表面的塑料層切除,又進(jìn)行了60天的吸水性測(cè)試,樣品的吸水率均仍未超過20%,遠(yuǎn)低于30%的腐爛臨界值。

  “這是因?yàn)樵诟咚俟不鞕C(jī)中,高分子基體與纖維達(dá)到了非常均勻的共混,完成了對(duì)植物纖維的有效包裹?!敝戾\表示,團(tuán)隊(duì)做了大量精密計(jì)算,才得出配方設(shè)計(jì),讓高達(dá)80%植物纖維含量的復(fù)合材料依然能夠受到高分子基體的保護(hù),大幅度降低吸水性能。同時(shí)保證了植物纖維復(fù)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)貫通了植物纖維高分子復(fù)合材料的整體工藝路線,具備了一定的生產(chǎn)與制備能力,并使產(chǎn)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(chǎng)推廣的深入,這款仿木產(chǎn)品會(huì)很快進(jìn)入市場(chǎng),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(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合

  仿木是一種工藝技術(shù),運(yùn)用這種工藝技術(shù)可以生產(chǎn)制作出外觀似實(shí)木的各種產(chǎn)品。國(guó)外迪士尼主題公園等場(chǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原木,經(jīng)過長(zhǎng)年風(fēng)吹日曬也不會(huì)腐蝕褪色,更不會(huì)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(tái)鋪裝,防護(hù)安全景觀裝飾,這些場(chǎng)景中仿木都可替代原木。

  仿木材質(zhì)在前十年只能是模具成形,而現(xiàn)如今經(jīng)過人們的努力已經(jīng)發(fā)展成無(wú)模生產(chǎn),大大降低了生產(chǎn)成本,而且生產(chǎn)工藝也大大改觀,克服了年久腐蝕、氧化、易損等技術(shù)難題,在我國(guó)木材資源極度匱乏的當(dāng)下,仿木有成為戶外園林景觀裝飾主流的趨勢(shì)。(記者 江耘 實(shí)習(xí)生 洪恒飛

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【糾錯(cuò)】 責(zé)任編輯: 劉陽(yáng)
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