木质复合材料的发展与展望_饶久平

福建林学院学报　2003,23(3):284～287Jo ur nal o f Fujian Colleg e of F or estr y木质复合材料的发展与展望饶久平(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.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.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:T Q321.5 文献标识码:A 文章编号:1001-389X(2003)03-0284-04Developing Situation and Prospects on Wood-based CompositesRAO Jiu-ping(Nanjing Fores tr y Un ivers ity,Nanjing210037,Chin a)Abstract:In the21st centur y,w oo d-based co mposites ar e the key stone of developing in the wo od industr y.By int ro ducing composit e mater ials and discussing and linking the gener al develo ping tr end of ma terials science,w o od industr y is fur ther pro moted it′s sust ained development dur ing pr ospected t he development o f wo od-based co mpo sites.Key words:co mpo site mater ials;w oo d-based co mpo sites;nano-science and techno lo gy;str uctur al and functio nal composit e mater ials;eco mater ials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.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].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.当然也存在一些缺点,可通过木材改性得到改善[3].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.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.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.1　复合材料简介根据国际标准化组织(ISO)为复合材料(Composite mater ials)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.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.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.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.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].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.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.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.复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料.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,在某种情况下还要基金项目:福建省教育厅科学基金资助项目(JAO01048).作者简介:饶久平(1971-),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.收稿日期:2003-02-17;修回日期:2003-03-17.求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能.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.功能复合材料主要是由功能体一种或多种和基体组成.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].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.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.2　木质复合材料的发展概述木质复合材料(Wood-based composites)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].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.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 DF 、定向刨花板OSB 、华夫板),以及LVL (Lam inated veneer lumber )、PSL (Par allel strand lumber )、LSL (Laminated strand lumber )、木陶瓷(Woo dceramics ,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.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.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.木材与金属的复合材料较少研究.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.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.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、OSB 、华夫板等已经得到了很好的发展[20～30].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.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.但是对其研究范围,缺乏广度和深度,有待于进一步的开发.3　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.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.纳米科技的发展,必将引起木材工业上的一次新的变革.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.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.3.1　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.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.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.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.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285第3期 饶久平:木质复合材料的发展与展望286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.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.3.2　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.组成相或晶粒结构控制在100纳米(nanometer,1nm=10-9m)以下的长度尺寸的材料称为纳米材料.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.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.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.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.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.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.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.3.3　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.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.这些问题的积累加剧了人类自身的生存构成新的障碍.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.近几年国际上提出“生态环境材料”(eco mater ials)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.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.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.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.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.3.4　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.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.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.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.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.3.5　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.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.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.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].4　结语21世纪是可持续发展的世纪.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.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.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.参考文献:[1]吴人洁.复合材料[M 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