既能防火又能防潮，神奇“木材”是怎样炼成的

科技日报记者 江耘 实习生 洪恒飞

纤维结构“仿木”制作出的产品

“以往的原木或仿木材料，在性能优势上往往顾此失彼，且离不开对木材的消耗，”朱锦说，这一材料的研制及相关技术的突破，将减少人类对木材的依赖，促进木材的可持续发展。

纤维结构“仿木”制作出的产品

纤维沿着生长方向排列，造成了天然木材的各向异性——木材受压时，每个细胞都相当于一根管柱，在横纹、顺纹两种情况下会表现出不同的抗压能力，导致木材便于加工的同时也容易翘曲。而人工纤维复合材料，以其优异的力学性能，较低的密度等优势，在现代制造业具有宽广的用途。

“从朴素的观点来看，纤维复合材料的历史可追至古代。古人用稻草或麦秸增强粘土来制造房屋，就是一种纤维复合材料的利用。”朱锦告诉科技日报记者，由于秸秆难于收集处理，且易腐易燃易吸水，在现代复合材料中很难再见到它们的身影。

纤维结构“仿木”制作出的产品

基于不同材料的优势，以及对秸秆资源利用，实验团队从木材纹理结构出发，着手研发植物纤维高分子复合材料。最需要解决的，就是蓬松纤维的添加问题。

“将植物纤维里的微观纤维，从主干中分离出来，需要强劲的剥离力。让高含量的植物纤维与塑料树脂进行充分共混，须有强力共混搅拌扭矩的硬件设备。”

朱锦说，团队与一家山东的科企历时三年研制出的高速共混设备，能制备出植物纤维填充量高达80%的热塑性复合材料。

“经该设备处理后的微植物纤维，残留长度能保持在2-8 mm，”朱锦解释道，这令能它在复合材料中起到类似钢筋混凝土中“钢筋”的作用，让成品的力学性能远高于市场上的木塑复合材料。

植物纤维含量一旦提高，植物纤维高分子复合材料的熔体粘度也会相应增加，会使得材料在注塑过程中流动性变差，甚至无法充满模腔，最终获得的制件表面容易形成各式缺陷。为此，朱锦团队采用“内润滑”加“外润滑”的复配润滑剂体系，降低了熔体的内部粘度，减小了熔体与设备之间的摩擦。

朱锦表示，团队优选合适的相容助剂，改善亲水植物纤维与疏水性高分子树脂之间的相容性，提高两者在微观层面的结合力，最终制备出了具有高强度、高模量的植物纤维增强高分子复合材料。

纤维结构“仿木”制作出的产品

众所周知，植物纤维与常见的塑料都是易燃品。植物纤维复合材料的阻燃问题依然是业界难题，很多研究者多通过有机溶剂或者碱液处理纤维，破坏纤维表面的结构，然后加入阻燃剂进行阻燃。

木材及其微观纤维结构

“这种做法会产生大量的废弃溶剂和碱液，在环保处理方面增加了很多额外成本。”朱锦带领团队采用植物纤维与树脂基体分步阻燃化的方案，先用水对植物纤维进行简单的喷淋，再用常规的加工方法与环保型阻燃剂，使树脂获得足够的阻燃能力，植物纤维复合材料点燃十秒后，离火便自动熄灭。

实验团队将封闭样条恒温20℃浸泡在水中，100天后，样条的吸水率仍然低于2%。为让样品多吸水，实验人员将挤出块材表面的塑料层切除，又进行了60天的吸水性测试，样品的吸水率均仍未超过20%，远低于30%的腐烂临界值。

“这是因为在高速共混机中，高分子基体与纤维达到了非常均匀的共混，完成了对植物纤维的有效包裹。”朱锦表示，团队做了大量精密计算，才得出配方设计，让高达80%植物纤维含量的复合材料依然能够受到高分子基体的保护，大幅度降低吸水性能。同时保证了植物纤维复合材料在高温湿热的情况下，依然具有良好的稳定性能。

 蓬松的植物秸秆与高速共混设备，板材挤出连续生产线，复合材料粒料

“目前团队已经贯通了植物纤维高分子复合材料的整体工艺路线，具备了一定的生产与制备能力，并使产品在成本与使役性上取得了良好的平衡。”朱锦表示，随着研发和市场推广的深入，这款“仿木”产品会很快进入市场，从而促成人类将绿色还给森林。”

来源：科技日报 文中图片由作者提供

编辑：岳靓

审核：管晶晶