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跟着塑料“混” 秸秆变身“木材”水火不侵

来源:科普中国 作者: 发布时间:2019-06-21 14:24 浏览次数: 【字体:

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植物纤维高分子复合仿木产品

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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。

二审 :甘肃省科协信息中心采编部
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