木质复合材料的发展与展望

福建林学院学报　2003,23(3):284～287Journal of Fujian Co llege of Fo restry木质复合材料的发展与展望Ξ饶久平(南京林业大学,江苏南京210037)摘要:21世纪木质复合材料是木材工业的发展重点1通过对复合材料的简介,以及讨论了木质复合材料的发展现状,结合当前材料科学发展的总趋势,进而对今后木质复合材料的发展进行展望,进一步推动木材工业的可持续发展1关键词:复合材料;木质复合材料;纳米科技;结构和功能复合材料;生态环境材料中图分类号:TQ32115 文献标识码:A 文章编号:10012389X(2003)0320284204D evelop i ng Situation and Prospects on W ood-based Com positesRAO J iu2p ing(N anjing Fo restry U niversity,N anjing210037,Ch ina)Abstract:In the21st century,w ood2based compo sites are the keystone of develop ing in the w ood industry1By introducing compo site m aterials and discussing and link ing the general develop ing trend of m aterials science,w ood industry is further p romo ted it′s sustained developm ent during p ro spected the developm ent of w ood2based compo sites1Key words:compo site m aterials;w ood2based compo sites;nano2science and techno logy;structural and functi onal compo site m aterials;ecom aterials在人类进入知识经济信息时代的今天,材料、能源和信息并列为现代科学技术的3大支柱,其作用和意义是不言而喻1新材料是高新技术的基础和先导,其本身也能形成很大的高技术产业[1,2]1木材作为世界4大材料(还包括水泥、塑料、钢铁)之一,是极其复杂的生物复合材料,具有与其它材料不同的固有特性:生物学特性、多孔特性、异向及变异性、耐久性、再生性和可改造性1当然也存在一些缺点,可通过木材改性得到改善[3]1虽然木材对国民经济建设和国防建设中曾起着举足轻重的作用,但是单一的木材制品或木质材料(包括各种人造板)已经不能满足人类社会发展的需要,同时科技的迅速发展,对木材科学界也提出更高的要求1将复合材料发展的新科技导入木材科学与技术研究领域,诸如:纳米科技、生态环境科学等在木材科学中的交叉应用,对木质复合材料的发展趋势进行展望,以求得为实现木材工业的可持续发展创造有利的条件1因此,发展木材与其它材料的复合,大力开发木质复合材料,赋予其更多的功能,拓宽其广阔的使用空间,对实现木材工业可持续发展具有十分重要的意义11　复合材料简介根据国际标准化组织(ISO)为复合材料(Com po site m aterials)的定义,是2种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料1复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性,但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加和,而是有着重要的改进1在复合材料中,通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相,称为增强材料1分散相以独立的形态分布在整个连续相中的,两相之间存在着相界面1分散相可以是增强材料纤维,也可以是颗粒或弥散的填料[2]1复合材料的出现和发展,是现代科学不断进步的结果,也是材料设计方面的一个突破1纵观复合材料的发展过程,早期发展出现的复合材料,由于性能相对比较低,生产量大,使用面广,可称之为常用复合材料1后来随着高科技发展的需要,在此又发展了性能高的先进复合材料1复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料1结构复合材料主要用作承力和次承力结构,要求它质量轻、强度和刚度高,且能耐一定温度,在某种情况下还要Ξ基金项目:福建省教育厅科学基金资助项目(JAO01048)1作者简介:饶久平(19712),男,福建浦城人,在职博士研究生,现在福建农林大学工作,从事人造板与木质复合材料研究1收稿日期:2003202217;修回日期:20032032171求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能1功能复合材料是除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生物功能的复合材料,如导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、隔热等功能1功能复合材料主要是由功能体一种或多种和基体组成1在单一功能体的复合材料中,功能性质由功能体提供;基体既起到粘接和赋形的作用,也会对复合材料整体的物理性能有影响[4～6]1多功能体的复合材料具有多种功能,还有可能因复合效应而出现新的功能1在进行木质复合材料的研究和生产中,协调好木材(或是木纤维)与其它材料之间的关系,充分发挥各组分的优势,真正使得木质复合材料在经济建设中占有不可忽视的地位12　木质复合材料的发展概述木质复合材料(W ood 2based com po sites )是以木材(其各种形态,包括纤维、单板和刨花等)为基体材料再加上其他的增强材料或功能材料复合而成是具有承受一定载荷的或具有某些特定性能的复合材料[7～19]1由此可见,木质复合材料是以木质材料为主,复合其它材料而构成具有微观结构和特殊性能的新材料,它克服了木质材料许多缺点,因而成为当今木质材料发展的重点与学科研究的热点1回顾木质材料发展的历史,从最早的“老三板”(胶合板、刨花板、硬质纤维板),随后发展了“新三板”(中密度纤维板M D F 、定向刨花板O SB 、华夫板),以及LVL (L am inated veneer lum ber )、PSL (Parallel strand lum ber )、L SL (L am inated strand lum ber )、木陶瓷(W oodceram ics ,是木材、木质材料或制成的复合材料在无氧状态下,经高温慢速炭化处理得到的炭化物,它具有炭固有的质轻、吸附性强又具有陶瓷般的高硬度、高耐热性、高耐蚀性等)等,在一定意义上说这些都是属于常用复合材料的范畴,而并不能赋予板材更多的功能1当然,近年来大量开发了农作物秸秆人造板,诸如稻草板、稻壳板、麦秸人造板及竹材人造板等都是旨在充分利用资源、实现材料资源的可持续发展目的1利用塑料与木纤维复合某些新性能复合材料的研究正成为木材工业新的研究领域1木材与金属的复合材料较少研究1研究的对象基本上停留在宏观水平上,对于构成材料的各组分很少有考察到纳米数量级,更少有进一步的深入研究1当然,对于木质复合材料的研究,已经有对其各种结构模型的研究,预测其物理力学性能,以获得较理想的效果1其实,复合材料科学已经在木材加工利用中有了发展,诸如:夹心复合胶合板、航空胶合板、O SB 、华夫板等已经得到了很好的发展[20～30]1但是,基本上停留在工艺方面的研究,很少对其从复合材料力学的角度进行设计和研究1总之,目前对于木质复合材料有了一定程度的研究,如:阻燃木质复合材料、木 塑复合材料1但是对其研究范围,缺乏广度和深度,有待于进一步的开发13　木质复合材料的发展展望木质复合材料作为木材工业的一个发展热点,必须与当今材料科学的发展相适应,面对人类生活和生产对材料要求的提高,木质复合材料的发展是木材科学发展的重点1木质复合材料技术应广泛吸纳材料工业的启新技术,使学科边缘向其它学科不断延伸,木质复合材料由于其设计自由度大,可制造高性能的结构材料和功能材料,它将木材与其它材料从组成、结构、工艺、性能和应用等诸多因素进行优化,按需设计而且采用新工艺和新技术,从而制造品种众多的优异产品1纳米科技的发展,必将引起木材工业上的一次新的变革1结合木材这种生物材料的具体构造和其性能,探寻纳米科技在木材科学中的研究空间,为木材工业的发展提供更加广阔的空间1笔者认为,具体可从以下几个方面对木质复合材料进行深入的研究1311　发展多功能的木质复合材料功能人造板,是指赋予某些特殊功能的人造板,如阻燃人造板、防潮人造板、防水人造板、导电板、抗静电、防腐人造板、隔声人造板等1过去复合材料主要用于结构,其实,它的设计自由度大的特点更适合于发展功能复合材料,特别在由功能→多功能→机敏→智能复合材料,即从低级形式到高级形式的过程中体现出来1因此,作为木质复合材料,也应是从低级到高级、从单功能到多功能的方向发展1通过调节其复合度、选择其连接形式和改变其对称性等因素,以达到功能材料所追求的高价值1在进行功能木质复合材料的研究过程中应考虑到各组成的物理及化学性质,避免各组成之间的冲突,诸如进行阻582第3期 饶久平:木质复合材料的发展与展望682福　建　林　学　院　学　报 第23卷燃木质材料的生产中,不能降低其物理力学性能1特别是对多功能复合材料研究中要求所用各种功能的增强剂不会发生抵触,更不能使物理力学性能降低1312　纳米技术在木质复合材料中的应用展望[31～33]纳米科技是一门多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高技术,如:纳米电子学、纳米化学、纳米材料学和纳米机械学等学科1组成相或晶粒结构控制在100纳米(nanom eter,1nm=10-9m)以下的长度尺寸的材料称为纳米材料1将纳米科技导入木材科学与技术领域,把木材科学、木材—无机、有机复合材料学研究水平提升到纳米尺度的研究阶段1利用纳米技术可能形成造纸的高得浆率方法,木材在变成纳米尺寸后,木材的材料特异性质、尺寸效应及变化机理,以及木材改性的显微结构关系可能使木材改性出现突破性的进展1考察木材本身的空隙构造,存在着宏观空隙、微观空隙和介质空隙1其中的介质空隙是指三维、两维或一维尺度在纳米量级(1～100nm)的空隙,因此可称为纳米空隙1它存在于针叶树材具缘纹孔塞缘小孔、单纹孔纹孔膜小孔、干燥或湿润状态下木材细胞壁空隙、湿胀状态下微纤丝间隙之中,其中以微纤丝间隙尺度为最小1木材中纳米尺度空隙存在,意味着木材本身可以容纳纳米微粒(粉体),纳米管、纳米棒等1由此可见,木材制造成纳米粉体或是将纳米材料填充到木材的纳米空隙或是通过纳米材料的加入改善木材与其它材料的界面性质以达到更高性能的木质复合材料1313　向生态环境复合材料的方向发展[34,35]地球是人类赖以生存的共同家园,保护资源、保护环境是全人类的共同使命1人口膨胀、资源短缺和环境恶化是当今人类社会面临的3大问题1这些问题的积累加剧了人类自身的生存构成新的障碍1如何走可持续发展道路已成为全世界的共识和未来发展的战略目标1近几年国际上提出“生态环境材料”(ecom aterials)概念,材料工作者应转变观念,大力发展与资源、能源和环境协调的新型材料——生态环境材料,是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势1因此,从事木材科学与技术的工作者更要针对我国有限的森林资源,大力开发生态环境材料1将木材(包括其各种形态:如刨花、纤维、单板及一些木材加工剩余物)与其它非木质材料(农作物秸秆、废纸、其它植物材料)的复合1木质复合材料要能够作为生态环境材料必须有3大特点:首先要能满足使用上的性能要求;其次是必须考虑尽可能节约资源和能源,尽可能减少对环境的污染1最后是在研究、设计制备材料及使用废弃材料、生产各个环节中,要把材料或产品在整个寿命周期中,必须满足对环境的协调性1314　加强对复合材料构成原理的研究木材一种天然的复合材料,存在各向异性,而且木材具有流变学特性,是一种粘弹性材料,具有与其它材料所不同的特点1在物理学中,对单一的材料的力学行为,其规律是比较简单的1但是当在材料中引入增强材料,构成复合材料后,其力学就变得复杂,它不仅受基体,增强材料性能的影响,同时与界面有很大的关系1在进行木材复合材料的研究过程中,先要对各材料的固有性质有正确的认识;其次,将组分材料性能及复合材料细微观结构同时考虑,以获得人们所希望的材料及结构特性1复合材料设计是一个复杂的系统性问题,它涉及环境载荷、设计要求、材料选材、成型方法及工艺过程、力学分析、检验测试、维护与修补、安全性、可靠性及成本等诸多因素,对于木质复合材料的设计也是如此1315　继续加大木 塑复合材料的研究力度当前木质复合材料的研究中木塑复合材料所占的比重较大,在我国的“948”和“863”项目中依然资助该项目的研究1为了使木塑复合材料的性能的不断增强,拓宽其用途,继续加强对木塑复合材料的深入研究1改善木塑复合界面相容性的方法,利用物理或化学的方法对木纤维的表面进行预处理,改变木纤维表面的状态,以达到改善表面相容性的目的1组成木质材料的主要成分(纤维素、半纤维素和木素)中含有大量的极性羟基和酚羟基等官能团,其表面表现出很强的化学极性[36],因而在木材纤维表面主要是通过对极性官能团进行酯化、醚化、接枝共聚等改性处理,使其生成疏水的非极性化学官能团并具有流动性,使木材纤维表面与塑料表面的溶解度相似,以降低塑料基材与木质材料表面之间的相斥性,达到提高界面粘合性的目的,进一步从物理改性与化学改性2个方面着手研究,从而达到比单独的木质材料或塑料更理想的性能[37]14　结语21世纪是可持续发展的世纪1社会、经济的发展要求以自然为基础,与环境承载能力相协调1认识资源、环境与材料的关系,开展材料流分析及相关理论的研究,从而实现材料科学与技术的可持续发展,是历史的必然,也是材料科学的进步1木质复合材料是木材工业的发展重点,大力开展多功能木质复合材料,结合纳米技术在木材科学中的应用,协调好材料、环境生态、资源的关系,使木质复合材料能够适应社会发展的需要1参考文献:[1]吴人洁1复合材料[M ]1天津:天津大学出版社,20001121[2]王荣国,武卫莉1复合材料概论[M ]1哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999181[3]李　坚1木材科学[M ]1北京:高等教育出版社,1999181[4]贡长生,张克力1新型功能材料[M ]1北京:化学工业出版社,2001111[5]华毓坤,傅　峰1导电胶合板的研究[J ]1林业科学,1995,31(3):25422591[6]周　兆,曹建春1铝箔覆面刨花板[J ]1木材工业,2000,14(1):322341[7]罗朝晖,朱家琪,黄泽恩1木材 金属复合材料的研究[J ]1木材工业,2000,14(6):252271[8]C raig C lemon 1W ood 2P lastic Compo site in the U nited States [J ]1Fo rest P roducts Journal ,2002,52(6):102231[9]王　恺1木质纤维复合材料——一种有发展前途的复合材料[J ]1木材工业,1994,8(2):322351[10]木质纤维复合材料专题组1聚丙烯纤维对木 塑纤维复合材料性能影响的初步研究[J ]1木材工业,1997,11(6):5271[11]葛明裕1加热法制造木塑复合材的研究[J ]1林业科学,1983,19(1):642711[12]王建军,郭文静1木纤维—聚乙烯复合材料中聚乙烯改性的研究[J ]1木材工业,1995,9(3):102131[13]杨庆贤1木 塑复合材料性能与相关因素的研究[J ]1福建林学院学报,1997,17(3):27322771[14]秦特夫1改善木塑复合材料界面相容性的途径[J ]1世界林业研究,1998(3):462511[15]杨文斌,刘一星,李　坚,等1木刨花与再生塑料复合材的物理力学性能[J ]1福建林学院学报,2002,22(4):29923031[16]杨庆贤1木 塑复合材料建筑模板的研制[J ]1福建林学院学报,1993,13(3):23822411[17]吴纯初,侯伦灯,林元辉,等1废锯屑——竹丝刨花板的研究[J ]1福建林学院学报,1992,12(4):41724221[18]宋孝金,许若璇,施权陆1木质石膏刨花板的研制[J ]1福建林学院学报,1990,10(3):28822961[19]杨文斌,刘一星,李　坚,等1主要工艺参数对异氰酸脂胶粘剂木塑复合板性能的影响[J ]1东北林业大学学报,2002,30(4):112131[20]杨文斌,沈洁梅1高分子物理原理在木材工业中的应用[J ]1福建林学院学报,1999,19(4):38123831[21]邓邵平1A l (OH )3对树脂型阻燃剂的阻燃增效作用[J ]1福建林学院学报,2003,23(1):752781[22]胡淑宜,张忠平1木材无机阻燃剂D TA T G 曲线解析[J ]1福建林学院学报,1998,18(2):16321661[23]卢晓宁,陈宇聪,陈　颖1速生杨木单板顺板弹性模量预测模型[J ]1南京林业大学学报,2002,26(3):92121[24]那　斌1木质复合材料线性粘弹性理论浅析[J ]1建筑人造板,2002(2):292311[25]L iang 2BH ,M o tt 2L ,Shaler 2S M ,et al 1P roperties of transfer -mo lded w ood 2fiber po lystyrene compo sites [J ]1W ood 2and 2F iberScience ,1994,26(3):38223891[26]M 1Itoh ,K 1Inoue ,N 1H irayam a ,et al 1F iber reinfo rced p lastics using a new heat 2resistant silicon based po lym er [J ]1Journal of M aterials Science ,2002(37):3795238011[27]Steiner ,P 1R 1,S 1Chow ,S 1V adjia ,et al 1Interacti on of po lyisocyanate adhesive w ith w ood [J ]1Fo rest P roducts Jour 2nal ,1980,30(7):212271[28]RobertN 1H aw ke ,Bernard C 1H 1Sun ,M argaret R 1Gale 1Effect of fiber m at mo isture content on strength p roperties ofpo lyisocyanate -bonded hardboard [J ]1Fo rest P roducts Journal ,1992,42(1112):612681[29]M arja 2L eena Ko sonen ,Bo W ang ,Gerard T 1Caneba ,et al 1Po lystyrene w ood compo sites and hydrophobic w ood coat 2ings from w ater 2based hydroph ilic -hydrophobic block copo lym ers [J ]1C lean P roducts and P rocesses ,2000(2):11721231[30]D avid E 1Pendleton ,T heresa A 1Hoffard 1D urability of an extruded HD PE W ood compo site [J ]1Fo rest P roductsJournal ,2002,52(6):212271[31]马　岩1纳微米科学与技术在木材工业的应用前景展望[J ]1林业科学,2001,37(6):10921121[32]张志　,崔作林1纳米技术与纳米材料[M ]1北京:国防工业出版社,20001101[33]赵广杰1木材中的纳米尺度、纳米木材及木材—无机纳米复合材料[J ]1北京林业大学学报,2002,24(5 6):20422081[34]洪紫萍,王贵公1生态材料导论[M ]1北京:化学工业出版社,2001151[35]王天民1生态环境材料[M ]1天津:天津大学出版社,20001121[36]李　坚1木质材料的界面特性与无胶胶合技术[M ]1哈尔滨:东北林业大学出版社,19891121[37]李　坚1走向21世纪的木质复合材料[J ]1世界林业研究,1995(3):342391(责任编校:江　英)782第3期 饶久平:木质复合材料的发展与展望。