科技日報記者 江耘 實習生 洪恆飛
“像木材一樣可釘可鉚，點燃10秒後離火自滅，不會翹曲也不發生霉變，而且價格比普通木材還要低……”近日，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，研製出了纖維結構“仿木”複合材料，其兼具綜合基體與微纖維的優勢，對水火還具有“免疫”屬性。
纖維結構“仿木”製作出的產品
“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，”朱錦說，這一材料的研製及相關技術的突破，將減少人類對木材的依賴，促進木材的可持續發展。
纖維結構“仿木”製作出的產品
微觀設計再現“古式纖維複合”
纖維沿著生長方向排列，造成了天然木材的各向異性——木材受壓時，每個細胞都相當於一根管柱，在橫紋、順紋兩種情況下會表現出不同的抗壓能力，導致木材便於加工的同時也容易翹曲。而人工纖維複合材料，以其優異的力學性能，較低的密度等優勢，在現代製造業具有寬廣的用途。
“從樸素的觀點來看，纖維複合材料的歷史可追至古代。古人用稻草或麥秸增強粘土來製造房屋，就是一種纖維複合材料的利用。”朱錦告訴科技日報記者，由於秸稈難於收集處理，且易腐易燃易吸水，在現代複合材料中很難再見到它們的身影。
纖維結構“仿木”製作出的產品
基於不同材料的優勢，以及對秸稈資源利用，實驗團隊從木材紋理結構出發，著手研發植物纖維高分子複合材料。最需要解決的，就是蓬松纖維的添加問題。
“將植物纖維裡的微觀纖維，從主乾中分離出來，需要強勁的剝離力。讓高含量的植物纖維與塑料樹脂進行充分共混，須有強力共混攪拌扭矩的硬體設備。”
朱錦說，團隊與一家山東的科企歷時三年研製出的高速共混設備，能製備出植物纖維填充量高達80%的熱塑性複合材料。
“經該設備處理後的微植物纖維，殘留長度能保持在2-8 mm，”朱錦解釋道，這令能它在複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於市場上的木塑複合材料。
植物纖維含量一旦提高，植物纖維高分子複合材料的熔體粘度也會相應增加，會使得材料在注塑過程中流動性變差，甚至無法充滿模腔，最終獲得的製件表面容易形成各式缺陷。為此，朱錦團隊採用“內潤滑”加“外潤滑”的複配潤滑劑體系，降低了熔體的內部粘度，減小了熔體與設備之間的摩擦。
朱錦表示，團隊優選合適的相容助劑，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，最終製備出了具有高強度、高模量的植物纖維增強高分子複合材料。
纖維結構“仿木”製作出的產品
獨家配方增強仿木“體質”
眾所周知，植物纖維與常見的塑料都是易燃品。植物纖維複合材料的阻燃問題依然是業界難題，很多研究者多通過有機溶劑或者鹼液處理纖維，破壞纖維表面的結構，然後加入阻燃劑進行阻燃。
木材及其微觀纖維結構
“這種做法會產生大量的廢棄溶劑和鹼液，在環保處理方面增加了很多額外成本。”朱錦帶領團隊採用植物纖維與樹脂基體分步阻燃化的方案，先用水對植物纖維進行簡單的噴淋，再用常規的加工方法與環保型阻燃劑，使樹脂獲得足夠的阻燃能力，植物纖維複合材料點燃十秒後，離火便自動熄滅。
防得了火，能否防潮？
實驗團隊將封閉樣條恆溫20℃浸泡在水中，100天后，樣條的吸水率仍然低於2%。為讓樣品多吸水，實驗人員將擠出塊材表面的塑料層切除，又進行了60天的吸水性測試，樣品的吸水率均仍未超過20%，遠低於30%的腐爛臨界值。
“這是因為在高速共混機中，高分子基體與纖維達到了非常均勻的共混，完成了對植物纖維的有效包裹。”朱錦表示，團隊做了大量精密計算，才得出配方設計，讓高達80%植物纖維含量的複合材料依然能夠受到高分子基體的保護，大幅度降低吸水性能。同時保證了植物纖維複合材料在高溫濕熱的情況下，依然具有良好的穩定性能。
蓬松的植物秸稈與高速共混設備，板材擠出連續生產線，複合材料粒料
“目前團隊已經貫通了植物纖維高分子複合材料的整體工藝路線，具備了一定的生產與製備能力，並使產品在成本與使役性上取得了良好的平衡。”朱錦表示，隨著研發和市場推廣的深入，這款“仿木”產品會很快進入市場，從而促成人類將綠色還給森林。”
來源：科技日報 文中圖片由作者提供
編輯：嶽靚
審核：管晶晶
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