生物质复合材料学(第二版)

1 生物质复合材料与生物质资源概述 本章重点阐述生物质材料的资源状况及其自然属性，为人们采用高新技术、科学的加工方法来创生新型生物质复合材料并进行合理利用提供技术依据。 21世纪以来，在世界范围内，人们十分注重生物质材料的开发与利用。我国林木资源短缺，因此将视角扩展到农作物秸秆、竹材、野生植物茎秆及木质废弃物的再加工和循环利用，具有十分重要的意义。 “生物质”泛指以二氧化碳通过光合作用产生的可再生资源为原料，生产并使用后，能够在自然界中被微生物或光降解为水和二氧化碳，或通过堆肥作为肥料再利用的天然聚合物。它们的主要化学组成与木材相同，是由纤维素、半纤维素和木质素组成的天然有机复合体，是由众多细胞组成的生物结构。 现在，人们愈来愈关注生物质复合材料的研究和实践，以生物质为原料，采用合理的加工和复合方法，将获得一系列高性能、多功能和高附加值的新型复合材料，应用于人民生活和国民经济各部门。 1.1 生物质复合材料概述 21世纪，世界普通关注的科学技术发展的重要焦点之一就是新型材料的创生。研究者已经将以木材为原料制造复合材料拓展到全部生物质材料，包括野生禾本科植物、农作物秸秆、竹材及木质废弃物等。 21世纪，全球木材供给量仍少于需求量，因此更有必要创生一些高性能、多功能、高附加值的新型材料，来满足人类生活和社会发展的需要。其中，木质复合材料既可弥补各自的缺点，又可实现木质资源的高效利用，将备受青睐。在复合材料中，由两种或两种以上异质材料组成，其中基体材料和增强材料中，至少有一相是生物质材料或其衍生物，则可称该复合材料为生物质复合材料。木质材料自身复合或与其他材料复合的形态一般分为三种类型：层积复合、混合复合和渗透（生成）复合。 下面就以木材为主要原料加工制得木质复合材料的方法、产品性能和应用价值予以描述，这些类型和方法也可作为除木材外其他生物质材料试制复合材料的依据和参考。 1.1.1 层积复合 这种是由一定形状的板材（短而薄或旋切的厚单板）、涂胶层积、加压胶合而成的具有层状结构和一定规格、形状的结构材料。 1.1.1.1 单板层积材 单板层积材（LVL）是用旋切的厚单板，经施胶、顺纹组坯、施压胶合而得到的一种结构材料。由于全部顺纹组坯，故又称为平行胶合板。 单板层积材具有木材缺陷分布均匀、强度性能变异系数小、抗蠕变和阻燃性能好等优点，所以可应用于木结构建筑中的结构材、家具、门窗和装饰材及其他工业材料。另外，与胶合板、金属管组合构成复合梁桁架弦杆，还可用于仓库、超级市场等大跨度建筑的构架材上。近年来，结构用LVL的利用开发分为两个方向：一是降低生产成本，主要措施是利用低质小径木；二是制造高性能产品，即将质地优良的薄单板层积在一起，使其具有高强度。 1.1.1.2 平行定向成材 平行定向成材（PSL）与单板层积材的不同之处在于，构成PSL的基本单元是把LVL用的宽单板裁成细长形，然后在一个方向上排列，用胶黏剂胶接而成的厚板材。在制造方法上介于单板层积材和定向刨花板（OSB）之间。强度变异小的特点与LVL相似。其用途也与LVL相同，也可制造出多种规格的产品。 1.1.1.3 集成材 集成材也称胶合木，是应森林资源结构变化的需要而产生的一种层积复合材料。集成材使用短而窄的锯切板材进行层积胶压，其制造工艺与LVL大同小异。其技术重点在于用短窄材料在长、宽、厚3个方向分别加长、加宽、加厚。 集成材具有良好的物理力学性能，与成材相比，强度大，许用弯曲应力可提高50%，而且结构均匀；含水率比具有相同断面成材的含水率均匀，内应力小，不易开裂和变形，尺寸稳定性好；大断面的集成材还有良好的阻燃性能。此外，集成材不存在单板裂隙影响板材质量的问题，因而比LVL更适合做建筑梁材。我国北京亚运村康乐宫嬉水乐园的网状木结构屋顶就是由4cm厚的木板经防腐、阻燃、拒水处理后指接、层积胶压而成的胶合木构建的。 1.1.1.4 三合板 这是两种（或两种以上）木质人造板之间层积胶压形成的板材。在新西兰，把中密度纤维板作为表层，把定向刨花板作为芯层制成三合板，这种复合材料兼备定向刨花板的强度高和中密度纤维板表面性状好等综合优良性能。 上述几类层积复合材料均可以小径木为原料，制成规格大、强度高、材质变异小、耐久性能好、尺寸稳定性高的人造板材，使用性能比天然木材优越，可广泛应用于建筑工业。 1.1.2 混合复合 这种是以木材或木质材料为基质与其他物质如无机质、矿物质等相混合或木质纤维材料之间相混合，加压成板。 1.1.2.1 水泥刨花板 将刨花掺入水泥基质中，以水泥为胶黏剂，水泥凝固之后复合在一起形成的板材。水泥用量很高，一般为50%～80%。水泥刨花板的阻燃性、强度和密度随着水泥用量的增加而提高。 将刨花与水泥、水等按一定比例混合，然后在预先涂过油的钢垫板上铺装成板坯，送入压机中加压4～6min（时间长短取决于板坯厚度）。板坯压至规定厚度后，送入养护室养护6～8h，使水泥继续水化。然后再将板垛送回到压机内加压卸模，分离垫板与成品板，成品板单独堆垛在室内进行干燥或附加固化。*后进行调湿整形处理，板材*终含水率为9%～12%。这种板材兼有木材与水泥的双重特性，与普通建材相比有良好的耐候、阻燃和防腐性能。 1.1.2.2 石膏刨花板 石膏刨花板的制造方法与水泥刨花板相似。所不同的是此种复合板以石膏为胶黏剂。石膏具有质量轻、阻燃性好、传热系数小、价格低等优点；缺点是性脆易碎，因此用木质原料来弥补其不足。其生产方法有湿法和半干法，目前多以半干法为主。半干法用水量少，石膏和刨花的混合物具有可分散性，可用生产普通木质刨花板的铺装机铺装。 生产石膏刨花板用的石膏为建筑石膏，主要成分是半水硫酸钙（CaSO4?1/2H2O），经水化后生成二水硫酸钙（CaSO4?2H2O）。这些水化物互相交织成网状的结晶结构，具有一定的强度。刨花可采用小径木、枝丫材。刨花无需干燥，其所含水分可作为石膏水化用水。刨花、石膏与水按一定比例混合，在搅拌机中拌匀，根据要求有时还需加适量的促凝剂或缓凝剂，以调节石膏的凝固时间。一般绝干刨花与石膏质量比为0.2～0.3，水与石膏质量比为0.3～0.5。搅拌好后在铺装机上铺成均匀的板坯，送入压机中加压，压到规定厚度。压好后送入干燥机中干燥，终含水率为1%～2%，*后进行整形处理即得产品。 1.1.2.3 矿渣刨花板 矿渣刨花板也是一种无机质复合人造板。它是用矿渣粉末和刨花作原料，加入水和少量活性剂，经搅拌、成型、热压而成的一种新型刨花板。 生产时所用的矿渣是高炉炼铁的废渣，原料来源充足，成本低廉，此外，生产周期短、易于在普通刨花板生产线上推广应用。矿渣刨花板的物理力学性能与水泥刨花板相似，还具有良好的保温、隔热和吸声性能，可作为屋面板、简易房、高层建筑良好的轻型建筑材料。 1.1.2.4 芦苇麻屑复合板 这是将芦苇和麻屑以一定比例混合、热压制得的板材。为了充分利用芦苇资源，用90%芦苇与10%麻屑复合制板。 这种芦苇麻屑复合板的各项物理力学指标达到了国家标准，可用于木材刨花板应用领域。我国现有芦苇面积达84.97万hm2，芦苇资源除用于造纸外，用于生产复合板尚有潜力。 我国农作物的剩余物资源十分丰富，如亚麻秆、棉秆、葵花秆、烟秆、豆秸等产量高达4亿t/年。这些茎秆均可作为研制碎料板的原料。我国每年的森林采伐和木材加工剩余物为760万m3和610万m3，“次、小、薪材”为750万m3；小径木的产量也在1亿m3以上。所以，充分利用农作物的剩余物资源也是缓解我国森林资源危机的一大举措。 1.1.2.5 木质基碳纤维复合材料 碳纤维（CF）是20世纪60年代初发展起来的一种新型材料，是纤维状的碳素材料。它是利用各种有机纤维在惰性气体、高温状态下碳化而制得的。碳纤维不仅具有十分优异的力学性能，还具有一定的电学性能，是目前大量生产的高性能纤维中具有*高比强度和*高比模量及高导电性能的纤维［碳纤维的电阻率为（1.5～3）×10?3/(Ω?cm)］，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽功能等。作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料*重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。 碳纤维-木材复合材料作为新一代建筑材料、修补材料和装饰材料之一，不仅可以提高材料的抗拉强度、抗压强度等，还赋予木材防腐抗蛀、导电和电磁屏蔽等新的功能。 其复合方式有多种，具有灵活的工艺调整性及赋予复合材料以增强效果和电磁屏蔽功能的复合，应该是木材纤维与导电胶黏剂和碳纤维按一定比例共混，或者是木材碎料与热固性树脂和碳纤维长丝共混、热压成板。 1.1.2.6 木材-金属复合材料 这是利用不同形态的金属和木材纤维原料制造的复合材料。其基本制造工艺是首先对金属材料的表面进行处理，然后与木材纤维进行复合以制造复合材料，关键技术是解决木材与金属界面相容性及金属的腐蚀问题。拟研究开发以下4种木材-金属中密度纤维板：①木材纤维-金属网复合中密度纤维板；②木材纤维-金属纤维复合中密度纤维板；③木材纤维-金属箔复合中密度纤维板；④木材纤维-金属粉复合中密度纤维板。 这种复合材料具有良好的电磁屏蔽功能，可用于保障国家机密和通信安全的场所。 1.1.2.7 生物质-聚合物复合材料 生物质-聚合物复合材料是一种新型的绿色复合材料，它不同于过去的木材-聚合物复合材料（木材是型材），它是以生物质纤维或粉（木材、秸秆等）为基质，以热塑性聚合物（主要为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯及它们的回收再生料等）为介质，并加有各类添加剂，经过熔融挤出（或注塑）加工成型制备生产出生物质-聚合物复合材料。它是解决低质木材和秸秆利用率及废旧塑料再利用的新的有效途径。对生物质-聚合物复合材料的研究是材料科学中研究的重点领域之一，也是木材科学领域新的前沿研究课题之一。它是木材科学、高分子科学、高分子加工、界面科学、高分子流变学和化学等多门学科的相互交叉、渗透与融合。 生物质-聚合物复合材料是20世纪70年代发展起来的一类新型的多功能复合材料。它具有木材和塑料的优点，寿命长、外观好、价格低廉、耐腐、抗虫、防滑和可上油漆，比纯塑料材料的硬度大，它与木材一样，具有可粘接、用螺钉固定等特点。因此，它被广泛地应用于建筑、装饰、日常生活等许多领域，如建筑材料、门、窗、地板、扶手、汽车装饰材料、家庭用具等。它是21世纪*有活力的复合材料之一，堪称“绿色”复合材料。2016年，我国总产量已达200万t。该复合材料在全球的销售市场潜力很大。 此外，还可以用木材加工剩余物或废弃木质材料与废弃塑料经过预处理，按一定比例混合，并加入相应的添加剂，热压成板。 1.1.2.8 生物质-橡胶复合材料 生物质-橡胶复合材料泛指木材或其他生物质的植物纤维单元或碎料与各种形态的橡胶单元复合而形成的材料。 这种复合材料具有阻尼减振、隔音吸音、隔热保温、防水、防腐、防蛀和防静电等多种性能，可以用作室内装饰、精密仪器包装、运动场馆地板和墙体吸音保温等材料。 橡胶制品承载着现代社会和工业的运转，伴随着人类日常生活的方方面面，是继石油、铁矿和有色金属之后的第四大战略