新型材料设想征文

木材塑化的设想

木材、竹材、秸秆等，他们主要由纤维素、半纤维素和木质素3种天然高分子化合物组成。纤维素线性大分子结构的高度对称性和大量羟基的存在，使得纤维素物质形成大量氢键，具有较高的结晶度，从而构成木质纤维的骨架。独特的细胞结构层次，使得木质纤维材料在通常的条件下既不能被普通溶剂所，密度低而具有较高比强度和韧性。木材、竹材等木质材料是一类粘弹性材料，在某些条件下具有一定塑性，例如在弯曲木的加工过程中，利用水热作用使木材胚料软化，然后利用外力使胚料变形，再通过干燥使变形固定而得到弯曲的木制品。木材弯曲过程中，其分子结构基本没有发生大的改变，虽然在提高原料利用率上有一定作用，但远未达到塑性加工的程度。对于以化学方法大幅度改变木材结构，将其转化为液体产物（木材液化），或者具有高度塑性的固体物质（木材塑化），从而实现向热固性塑料或热塑性塑料一样进行加工，虽然从技术上可行，但是成本很高，同时，木材分子结构的巨大改变也造成了木材固有优良属性的丧失。木材塑化的方法主要是将木材组分大分子上的羟基通过酯化或醚化转化掉，破坏木材内部的氢键尤其是纤维素的氢键，进而破坏纤维素的结晶结构，从而大幅度提高木材的塑性。

基本原理

在传统的木质纤维材料加工条件下，木质纤维材料只是一类黏弹性材料。如果采取有利于表现材料黏性的加工方式和环境条件进行加工，突出该类材料的热塑性，就可能为其热塑性加工创造条件。具有黏弹性的高分子材料的性质不仅与其组成、分子结构和分子之间结合形式有关，而且与分子的运动状态密切相关。后者的著名例子就是高分子材料的时温等效原理( Ferry，1980 ) ，可简单表述为: 研究高分子运动的宏观表现( 如考查应力松弛作用) ，或通过宏观现象研究高分子的运动，采用高温短时间或者低温长时间的观测，其效果是等价的。那么，如果采用有利于木质纤维材料应力松弛的加工方式( 如适当的高温增塑成型) ，即使不能达到热塑性塑料熔体的流动效果，但是能在较大程度上使木质纤维材料产生塑性变形; 同时，借鉴木质纤维材料化学改性方法的有益经验，以破坏木质纤维材料中固有的氢键体系为切入点，破坏木质纤维材料原有的结晶结构，建立新的结晶结构/ 非结晶结构体系，可在一定程度上实现对其黏弹性的控制; 此外，从改变高分子的运动状态出发，通过慢速的拉伸/ 压缩作用有可能迫使木质纤维材料因应力松弛而发生永久的塑性变形，但是基本不破坏大分子结构。可见，通过创造如上所述的有利于塑性加工条件，就可能在基本保持其固有优良性能的前提下，实现木质纤维材料的塑性加工。

1.进行木质材料塑性加工至少需要解决如下几个关键问题：

（1）破坏纤维素的结晶结构以赋予其塑性，建立无定型结构或者成型后建立新的结晶结构；

（2）适度破坏木质素的交联结构或增加链段的柔性，大幅度提高其塑性；

（3）弄清楚半纤维素对于木质材料刚性的作用，以及三种主要高分子物质的相互作用对于材料塑性的意义；

（4）木质材料塑性加工过程中，如何避免或降低因高温、剪切等作用所造成的降解。

2.木质材料塑性加工的设想途径

根据现有的科技积累，实现木质材料塑性加工可考虑探索以下途径：

（1）高温与专用增塑剂并用

高温是加速高分子运动以提高物料流动性的基本手段。同时，高温加工也往往有利于促进高分子材料与助剂的相互作用。增塑剂对于提高木质材料的塑性至关重要，可考虑从天然多糖及其衍生物、树皮抽提物中筛选可能的环境友好增塑剂。温度对于增塑剂的作用效果是有影响的，因而高温与适当的增塑剂并用可能会存在协同效应。

（2）开发木质材料塑性加工的专用机械与设备

除了高温，较大机械作用力也是促进材料变形的重要因素，应该是木质材料塑性加工的重要条件。木质材料的流变性质与热塑性塑料和其它填料有很大的不同，即使对于并非典型的塑性加工，而只是研究木质材料与塑料复合体系（木质材料基本被视为刚性填料）的塑性加工问题，也应充分注意木质材料对于现有高分子材料加工设备的适应性。因此，专用的加工设备是木质材料塑性加工研究与开发的重要内容。

（3）木质原材料的基因技术材质改良

以降解为主要特征的木质材料改性或许是塑性加工可以借鉴的方法，但是这类改性方法往往对材料力学和环境学性能的损害较大。有报道表明，某些通过基因技术改性树种的木材，其木质素的含量远远高于同种未改良树种的木材，而木质素的分子量和交联度均较低，因而这类木材的塑性明显提高，可以通过模压方法成型。可见，通过植物基因改良可以提高原材料的塑性，可能是木质材料塑性加工有希望的发展途径之一。

结语

木质材料塑性加工就是指通过综合运用机械、物理、化学、生物等方法赋予粘弹性木质材料以更高的塑性，使其在塑性较突出的条件下以类似于塑料加工的方法进行成型加工，获得近乎定量的原料利用率，实现木质材料资源的高效利用。

或许目前讨论木质材料的塑性加工为时尚早，甚至“物质材料塑性加工”概念本身就存在谬误。然而，从这一概念出发，似乎能够窥见其极为诱人而广阔的应用前景。比如，对于目前发展迅猛的木质－热塑性聚合物复合材料（或简称为木塑复合材料，WPC）技术，如果较好地解决了木质材料的塑性加工或塑化难题，就完全有可能大幅度提高木质纤维材料的添加量，显著降低生产成本和提高产品的木质感等重要性能，从而使WPC成为木质材料利用的一条重要途径。

参考文献

何曼君，陈维孝，董西侠． 2006．高分子物理．修订版．上海: 复旦大学出版社，349 － 350．

蒋佳荔，吕建雄． 2006b．木材动态粘弹性的含水率依存性．北京林业大学学报，28(2) : 118 － 123．

余权英，蔡宏斌． 1998．苄基化木材的制备及其热塑性研究．林产化学与工业，18(8) : 23 － 29．

崔福斋，1996年11月第1版，生物材料学，7-03-005659-0

新型材料设想征文

分院（系）：材料科学与工程学号： 20092025

姓名：朱向轻