太原木质材料研究现状与发展趋势(1)

  木材由裸子植物和被子植物的树木产生，具有丰富的生物多样性。树木生长是一个复杂而协凋的生物化学过程，通过光能利用二氧化碳、水分和矿物等使自身发育成一个粗大的有机体，木材就是树木营养生长的主要产物。木材的形成是吸收二氧化碳、固碳并释放氧气的过程，有利于改善生态环境。

　　木材作为传统的材料，一直为人类所利用。随着自然资源和人类需求发生变化和科学技术的进步，木材利用方式从原始的原木逐渐发展到锯材、单板、刨花、纤维和化学成分的利用，形成了一个庞大的新型木质材料家族，如腔合板、刨花板、纤维板、单板层积材、集成材、重组木、定向刨花板、重组装饰薄木等木质重组材料，以及石膏刨花板、水泥刨花板、木／塑复合材料、木材／金属复合材料、木质导电材料和木材陶瓷等木基复合材料。

　　木质材料在建筑、家具、包装、铁路等领域发挥着巨大的作用。在不可再生资源日益枯竭、人类社会正在走向可持续发展的今天，木材以其特有的固碳、可再生、可自然降解、美观和凋节室内环境等天然属性，以及强度-重量比高和加工能耗小等加工利用特性，将为社会的可恃续发展做出显著贡献。与其他材料相比，木材具有多孔性、各向异性、湿胀干缩性、燃烧性和生物降解性等独特性质，如何更好地利用这些特性和大限度地限制其副作用，是木材科学家和工程技术专家长期努力解决的主要问题。近年来林学家也积极参与木材科学研究，从树木的遗传学角度认识和改良木材的基本特性。

－、木质材料的研究现状

　　木质材料的研究开发与资源、经济和环境的发展密切相关，木材学、木材化学加工学、木制品先进制造技术、木基复合材料、木质重组材料、木质生态环境材料和木结构工程学等研究领域比较活跃。

　　1.木材学

木材学主要是用生物学理论研究树木生长的技术问题，重点研究木材材质、材性与生物形成和加工利用的关系。在提高木材形成速度的基础上，重点研究分子遗传标记、木素基因转移、木素形成基因分离和克隆、木材主要性质的基因定位、木材纤维分子数量遗传学等遗传改良技术，提高木材基本性质的遗传稳定性；研究树木立地条件、初植密度、施肥、间伐、修枝等树木生长改良条件对木材性质和质量的影响；研究木材生长应力的形成和释放；以及研究开发立木染色和方形树的培育技术。

　　随着木材资源从以天然林为主向人工林转变，竹材、藤材和其他禾本、草本植物资源已成为木材资源的重要补充，因此，必须运用先进的科学理论和方法，深入研究木材的微观结构、成分及其与性能的关系，为开发新的生物材料奠定科学基础。重点研究领域有：人工林木材的幼龄材与天然林木材的成熟材的比较生物学、比较解剖学、比较物理学、比较化学和比较力学；植物材料的基本特性与细胞璧超微结构的关系；与藻类、菌类细胞壁的形成和分解有关的各种酶的分布和调节；定量化研究木材植物组织特征；木材生物活性物质的抗菌性、抗虫性、抗癌性、香味，对动物的生理作用和药理作用，对无机矿物材料的促凝和缓凝作用，可生物降解性。如用热成像方法研究木材应力-应变分布、水分-应变的关系以及木质材料均匀性；用非线性理论研究木材流体流动机理；用辊压／水压和热定型技术，对软质木材进行硬化定型处理；用计算机视觉技术对木材分等级、检测木材表面质量和缺陷；开发无损检测技术，提高变异性较大的木材的使用安全性；用ｘ射线成像方法检测木材虫害程度和防虫效果；用动力学方法检测木材的弹性力学性质；用红外线检测方法监测城市古树的稳定性等。

　　2.木材化学加工学

　　木材化学处理方法研究特别注重安全性和经济性，综合考虑毒性、效力、溶解性和适用性，从木材的使用前处理延伸到加工前处理和使用后修复。重点研究的领域有：无毒抗流失硼制剂的固着性，开发快速透人型低有机挥发物的水基杀虫剂和杀菌剂（膏剂、乳液、硼棒、蒸气等形式）；研究透气性木材涂料；提炼并合成木材天然防腐剂；引人生物防护技术，研究木材共生菌对木腐菌的抑制作用；木质防火材料从难燃扩大到准不燃。

　　木材化学利用技术扩展到气化、液化、塑化、化学改性、漂白、染色，以及木材成分的利用及非木材植物材料的利用。重点研究植物高分子的结构和物理性能的关系；酶在植物材料转换中的作用；纤维素和木素均为碳水化合物，将大分子裂解为人体酶可降解的小分子，有可能开发出新的木本饲料；将木素进行碱抽提和酸中和后，可以制取木素碳纤维（图1）；用强酸、酚类或多烃基醇使木材液化，可以充分利用废弃木材，其产物可以作为多泾基化合物直接制蚤新的可生物降解的泡沫材料和酚醛树脂，部分取代石油产品，具有可生物降解的优点。

　　3.木制品先进制造技术

　　木制品先进制造技术在传统的木材机械加工学基础上，不断吸收机械、电子、信息及现代化管理技术等领域的成果，学科延伸扩大到木制品产品设计、制造、生产、检测、管理和服务等全过程，广泛采用机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数控加工中心、敏捷制造技术、柔性生产技术等先进制造技术。以计算机支持的仿真技术为前提，对木制品的设计、加工、装配等全过程进行统一建模。在产品设计阶段，实时、并行地模拟出产品末来的制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、产品生产技术、产品的可制造性，从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，使工厂和车间的设计与布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的小化、产品设计质量的优化和生产效率高化。采用计算机数控技术、机器人技术和逻辑过程控制技术的木制品柔性生产技术，60ｍｉｎ内可改变设计样式，6天内可推出新产品，对满足末来市场多样化和个性化消费对小批量多品种产品的需耍具有重要意义。

　　４.木基复合材料学

　　木材是天然材料，使用范围受自身物理力学性质的限制。木板、木条、单板、刨花或纤维等木材组元与有机高分子、无机非金属或金属等增强体或功能体复合组成木基复合材料，包括木材／橡胶层积复合地板、木材单板／玻璃纤维／铝三元复台材料、石膏刨花板、水泥刨花板、木纤维／合成纤维复禽材料、注塑型木粉／塑料复合材料（图2）、、木质导电材料和木材陶瓷等。这些木基复合材料具有原始木刺（沁ｇｉ.ｗ。。ｄ）所不具备的新的物理力学性能。当前的研究重点是木基复合材料的成分、结构、工艺、性质和行为之间的关系以及界面特性，按照产品终用途要求的性能进行材料设计和制造。

　　研究开发木塑复合材料，如合成高分子／木粉（木材纤维、木材刨花、木材单板）等复合材料的目标是降低成本、增加柔性和可循环利用性、加工性、灵活设计性和提高强度。研究领域有：木材／高分子复合材料的阻尼特性以及相溶剂和偶联剂对复合材料的二次力学性能的影响；利用超临界流体处理技术和等离子体处理技术提高木材／塑料界面反应性能；应用反向气相色谱，研究控制木材纤维／高分子复合材料界面结构和性质的基本物理化学参数，利用紫外光、钻60辐照源、庐射线和ｙ射线使高分子单体与木材发生交联反应，研究木材与其他材料的复合制造理论和性能评价。

　　木基复合材料研究的另一个前沿是木质材料的功能化，大致可分为填充、混杂、复合和表面覆盖等方法，如将导电性填料填充到木材中，将导电性短纤维与木材纤维或木粉混杂和复合。还可将导电性纤维与木纤维混杂成功能纸，使纸张的全部、外表面或内部成为连续相乎面选择性导电材料。将小木片镀镍后模压，可制成曲面选择性导电材料，电磁波屏蔽效果可达40~70dB（以对频率1.5GH.电磁波的屏蔽效能20dB为例，可将电磁波干扰或污染强度衰减90％），体积电阻率可达0.15-5.9Ｑ.cm（实体木材一般为108~1011数量级）。研究开发木质屏蔽功能复合材料，在9kHz~1.5GHz的范围内减少室内电磁污染，有利于实现其环境认证（如ISO14000）和安全认证（如CE标记），增加木质板材产品的附加值，在室内装修、办公用家具、公共汤所等应用领域有广阔的前景。

　　木材陶瓷是用木质材料与热固性树脂制成的复合材料在高温绝氧条件下烧结而成的多孔性碳素材料，具有新的功能。木材陶瓷的烧结温度和温升速度与其力学性质有关，木材陶瓷材料的静曲强度达到27MPa（木材为29~183Mpa），弹性模量达到7.5Gpa(木材4~21GPa）。木材陶瓷材料随着烷结温度的提高，从绝缘体过渡到导体，比重为0.7~1.0（木材为0.24~1.13），可取代传统的铁氧体电磁屏蔽材料，也可作为远红外发热材料和吸收材料（波长为4.0~22.0um放射能为黑体的80％），还可作为无润滑滑动部件（摩搽系数为0.1~0.15，布氏硬度可达60MPa），并具有易加工制造，高强、优良的摩搽和磨耗特性，以及自含润滑油、耐腐蚀和低密度（为钢的1/9~1/13）特性等。