植物纖維高分子復合仿木產品
植物纖維高分子復合材料制備過程
2017年 ， 中國人造板材產量超過3億立方米 ， 其中60%的原材料依賴進口 。 與此同時 ， 各類秸稈可收集量超過8億噸 ， 其中只有極少部分得到有效再利用 。 研發植物纖維高分子復合材料 ， 就是為了從根本上解決木材產需之間的矛盾 。
“像木材一樣可釘可鉚 ， 點燃10秒后離火自滅 ， 不會翹曲也不發生霉變 ， 而且價格比普通木材還要低……”近期 ， 中科院寧波材料所研究員朱錦將草本植物纖維與塑料樹脂結合 ， 研制出了一種新型的仿木材料——植物纖維高分子復合材料 ， 并且其對水火還具有“免疫”屬性 。
“以往的原木或仿木材料 ， 在性能優勢上往往顧此失彼 ， 且離不開對木材的消耗 。 ”朱錦告訴科技日報采訪人員 ， 這一材料的研制及相關技術的突破 ， 將減少人類對木材的依賴 ， 促進木材的可持續發展 。 目前 ， 研究團隊通過與一家山東科企合作 ， 已能制備出植物纖維填充量高達80%的植物纖維高分子復合材料 。
微觀設計再現“古式纖維復合”
纖維沿著生長方向排列 ， 形成了天然木材的各向異性——木材受壓時 ， 每個細胞都相當于一根管柱 ， 在橫紋、順紋兩種情況下會表現出不同的抗壓能力 ， 導致木材便于加工的同時也容易翹曲 。 “但我們所研制的復合材料因為擁有高含量且不規則的植物纖維 ， 可保證材料在橫紋、順紋方向下都具有均勻的抗壓性能 ， 這使得復合材料不會翹曲 ， 并且植物纖維高分子復合材料密度低 ， 可鋸、可鉚、可釘、可刨 ， 加工十分靈活 。 ”朱錦說 。
“纖維復合材料的歷史可追溯至古代 。 古人將稻草或麥秸混入粘土增加粘土強度用以建造房屋 ， 就是一種纖維復合材料的利用 。 ”朱錦表示 ， 由于秸稈難于收集處理 ， 且易腐、易燃、易吸水 ， 在現代復合材料中很難見到它們的身影 。
但朱錦等人研制的植物纖維高分子復合材料 ， 卻用到了古人所用的秸稈 。 可制作這種材料仍需要解決幾個問題 。
首先 ， 讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混 ， 需要具有強力共混攪拌扭矩的硬件設備 。 “以往的木塑復合材料 ， 以木粉作填充 ， 填充量低于60% 。 而我們與山東科企合作研制的高速共混機 ， 可通過其極強的共混攪拌扭矩 ， 讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混 ， 讓微植物纖維填充量達80% 。 ”朱錦解釋道 ， 這令它在復合材料中起到類似鋼筋混凝土中“鋼筋”的作用 ， 讓成品的力學性能遠高于市場上的木塑復合材料 。
其次 ， 由于植物纖維具有較強的親水性 ， 其與疏水的高分子樹脂之間相容性很差 ， 會導制復合材料表現出很大的脆性 。 對此 ， 朱錦表示 ， 團隊優選了合適的相容助劑 ， 改善親水植物纖維與疏水性高分子樹脂之間的相容性 ， 提高兩者在微觀層面的結合力 ， 讓植物纖維高分子復合材料具有了高強度、高模量 。
最后還有個難點 。 植物纖維含量一旦提高 ， 植物纖維高分子復合材料的熔體粘度（在一定溫度下熔體流動性能的好壞 ， 粘度越大 ， 熔體流動性越差）也會相應增加 ， 會使得材料在注塑過程中流動性變差 ， 甚至無法充滿模腔 ， 最終獲得的制件表面容易形成各式缺陷 。 為此 ， 朱錦團隊采用“內潤滑”加“外潤滑”的復配潤滑劑體系 ， 降低了熔體的內部粘度 ， 減小了熔體與設備之間的摩擦 。
獨家配方增強仿木“體質”
推薦閱讀
- 納米光子學：破譯光子與物質間“悄悄話”
- 臨兵斗者皆陣列在前是什么意思 臨兵斗者皆陣列在前怎么解釋
- 國家大科學裝置“聚變堆主機研究設施”初步設計方案獲批
- 石墨烯“打底” 我國科學家制備出高速晶體管
- 敏而好學不恥下問告訴我們什么道理 不恥下問告訴我們什么道理
- “智能+網聯”：讓汽車更有“未來感”
- 可再生能源“存”在哪兒？多孔巖石潛力大
- 美開發的新型設備可“憑空”發電
- 從空氣中直接吸收二氧化碳“冷卻”地球
- 中美科學家揭示“百煉鋼”化為“繞指柔”的內部機制