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      防火又防潮的新型家具用材——纖維仿木復合材料

      導讀:
      稻草秸稈仿木復合材料的研發,不但能緩解人們對于高品質木材的需求,還能實現秸稈的無害化綜合利用,一舉兩得。

      我國正面臨著森林資源匱乏與木制品需求日益增長的供需矛盾。據數據統計,2017年,中國人造板產量超過三億立方米,其中60%的原材料都依賴進口。同時,我國稻草秸稈這類資源造成嚴重浪費,可收集量超過8億噸,但其中有效回收利用的只有一小部分。仿木復合材料的研發,可以從根本上緩解我國木材資源短缺的現狀,實現秸稈的再利用,是一種新型的綠色環保材料。

      防火又防潮的新型家具用材——纖維仿木復合材料

      “像木材一樣可釘可鉚,點燃10秒后離火自滅,不會翹曲也不發生霉變,而且價格比普通木材還要低……”

      近日,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,研制出了纖維結構“仿木”復合材料,其兼具綜合基體與微纖維的優勢,對水火還具有“免疫”屬性。

      “以往的原木或仿木材料,在性能優勢上往往顧此失彼,且離不開對木材的消耗,”朱錦說,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,促進木材的可持續發展。微觀設計再現“古式纖維復合”

      纖維沿著生長方向排列,造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出不同的抗壓能力,導致木材便于加工的同時也容易翹曲。而人工纖維復合材料,以其優異的力學性能,較低的密度等優勢,在現代制造業具有寬廣的用途。“從樸素的觀點來看,纖維復合材料的歷史可追至古代。古人用稻草或麥秸增強粘土來制造房屋,就是一種纖維復合材料的利用。”朱錦告訴科技日報記者,由于秸稈難于收集處理,且易腐易燃易吸水,在現代復合材料中很難再見到它們的身影。

      防火又防潮的新型家具用材——纖維仿木復合材料

      基于不同材料的優勢,以及對秸稈資源利用,實驗團隊從木材紋理結構出發,著手研發植物纖維高分子復合材料。最需要解決的,就是蓬松纖維的添加問題。

      “將植物纖維里的微觀纖維,從主干中分離出來,需要強勁的剝離力。讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混,須有強力共混攪拌扭矩的硬件設備。”朱錦說,團隊與一家山東的科企歷時三年研制出的高速共混設備,能制備出植物纖維填充量高達80%的熱塑性復合材料。“經該設備處理后的微植物纖維,殘留長度能保持在2-8 mm,”朱錦解釋道,這令能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。

      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。朱錦表示,團隊優選合適的相容助劑,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,最終制備出了具有高強度、高模量的植物纖維增強高分子復合材料。

      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界難題,很多研究者多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,在環保處理方面增加了很多額外成本。”朱錦帶領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,再用常規的加工方法與環保型阻燃劑,使樹脂獲得足夠的阻燃能力,植物纖維復合材料點燃十秒后,離火便自動熄滅。

      防火又防潮的新型家具用材——纖維仿木復合材料

      防得了火,能否防潮?

      實驗團隊將封閉樣條恒溫20℃浸泡在水中,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役性上取得了良好的平衡。”朱錦表示,隨著研發和市場推廣的深入,這款“仿木”產品會很快進入市場,從而促成人類將綠色還給森林。”

      新型復合仿木材料的開發,不僅為家具、木結構建筑等木制品行業提供了新的原材料選擇,也為國家綠色環保事業做出了貢獻。這種新型仿木材料不但仍有木材的硬度和韌性,價格還比木材便宜。它的工業化還能夠有效緩解我國木材資源短缺的情形。

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