室外用木質復合材料關鍵技術分析

衛佩行 王建和

（1.江蘇農林職業技術學院風景園林學院，江蘇 句容 212400；2 西南林業大學材料與化學工程學院，云南 昆明 650224）

CO2等溫室氣體可能引發全球氣候變化[1]，而森林是地球陸地生態系統中最重要的貯碳庫，木材是這一碳庫的主要組成部分[2]。相較于水泥和鋼材，木材不僅在生長過程中固碳，且在生產加工中耗能更低、碳排放更少。因而，木質材料將在實現“雙碳”目標中發揮重要作用。推廣使用木質材料，替代高能耗、難降解材料，是低碳發展的一個方向[3-5]。

木材的主要化學組分是起骨架作用的纖維素、填充作用的半纖維素和粘結物質的木質素，這些成分是木腐菌等微生物的食物來源，因而木材在使用過程中易遭受木腐菌的侵襲，導致力學性能下降[6]。此外，與室內使用環境不同，室外環境更為復雜，如長期紫外線照射會使木材發生光降解[7]；雨水侵蝕會造成木材翹曲、變形、開裂等問題[8]。

為延長木材在室外使用壽命，需要采取一定措施對木材進行處理。在此領域，研究者進行了大量試驗研究，開發了防腐木、炭化木、重組木和木塑復合材料等四種常見室外用木質材料，前兩種屬于木質改性材料，后兩種屬于木質復合材料。本文旨在重點對重組木和木塑復合材料兩種復合木質材料的制備方法、防腐效果以及使用性能進行梳理和分析，同時也總結了國外應用廣泛但國內較少使用的室外用刨花板和中密度纖維板的關鍵技術，以期為開發性價比高的新型室外用木質復合材料提供參考。

1 重組木

重組木是將枝丫材、小徑材等原料進行單元加工后施膠重組成型類似天然木材的木質產品，密度較高，是木材小材大用、劣材優用有效途徑之一。按木材單元分類，重組木可以分為兩類：傳統重組木和高性能重組木。傳統重組木以小徑級木材為原料，經碾壓疏解后形成縱向排列、橫向相連的木束，施膠后熱壓成型的具有木材紋理的新型木質材料[9]。傳統重組木原料充分利用了林業剩余物，具有較高縱向力學性能。隨著技術進步，傳統重組材原料不再限于速生小徑材、枝丫材，也納入了竹材、農作物秸稈等[10]，但由于傳統重組木難以精準控制木材疏解，產品質量相對不穩定。

制備傳統重組木時，新鮮材無需水煮軟化直接疏解，而干木材需要水煮軟化。木材含水率在50%～80%為宜。碾壓次數以3 次為佳，次數過少則疏解度低，次數過多則木纖維斷裂[11]。為保證施膠效果，木束干燥后的含水率控制在10%左右。重組木采用的膠黏劑是低分子量、低黏度的酚醛樹脂膠，可采用負壓浸膠或正壓噴膠[12]。負壓浸膠可使膠黏劑滲入細胞腔甚至細胞壁，且滲透效果好[13]；正壓噴膠施膠不均勻，但節約膠量，可降低成本，因而，在生產應用中根據產品性能進行調整施膠方式。增加施膠量可提升重組木的綜合性能，但施膠量超過臨界值后，重組木性能提升效益遞減[14]。同樣，浸膠時間并非越長越好。組坯方向也會影響重組木性能。研究表明：平行鋪裝的重組木具有良好的縱向力學性能和耐水性能，而采用一定角度鋪裝組坯形成的重組木則呈現出橫紋和順紋干縮率小的優勢[12]。

基于傳統重組木和單板類人造板生產技術，以旋切單板為原料進行碾壓纖維化疏解，再經過類似工藝制備出新型重組木，其性能優于傳統重組木，稱之為高性能重組木[15]。制備高性能重組木的旋切單板厚度非常關鍵。單板厚度在2～6 mm之間時，單板厚度越大，重組木力學性能越低而耐水性提高。當單板厚度大于6 mm，產品力學性能和耐水性能均降低[16]。浸膠前，單板的含水率通常要控制在12%左右。另外，高性能重組木的施膠方式為真空-加壓浸漬的施膠方式[17]。

研究表明：PF樹脂浸漬形成的高性能竹基纖維復合材料的防腐效果可以達到強耐腐等級I級[18]，通過疏解木質單元浸漬PF樹脂后組坯熱壓而成的重組木應具有一定的耐腐性能，但關于重組木防腐性能的研究并不多。根據前人研究，重組木的防腐性能可通過密度、浸膠量和防腐劑等因素的調整和添加，達到戶外用材的耐腐等級[18]。相比木材及普通木質人造板（膠合板、刨花板和中密度纖維板），重組木的密度增加了0.4～1 倍，強度增加了1～7 倍，彈性模量增加了1～6 倍，表現出優異的物理力學性能[18]。

2 木塑復合材料

木塑復合材料是以木質纖維與高分子樹脂混合并添加偶聯劑經過一系列工藝形成的復合材料，具有尺寸穩定、易加工、耐腐朽等優點。影響木塑復合材料力學性能的因素有很多，如木質填料（樹種、含水率、含量、尺寸、預處理等）、熱塑性樹脂（種類及預處理）、偶聯劑種類、成型方法及環境因素等。其中，成型方式是木塑復合材料生產的重要環節，對木塑復合材料力學性能具有關鍵影響。

木塑復合材料主要有三種成型方式：注塑成型、擠出成型和壓縮成型。不同的加工方式制備的木塑復合材料性能呈現較大差異[19]。木粉大小也會影響木塑復合材料性能，木塑復合材料的拉伸強度隨著粒徑減小呈現先升高后下降的趨勢，沖擊強度也上升至一個峰值后下降[20]。在一定溫度條件下，木纖維含量越多，木塑復合材料抗蠕變應變能力越強[21]。

近年來，木塑復合材料加工開始采用共擠出工藝[22]。共擠出木塑復合材料有兩種產品結構，一種是在木塑復合材料表層共擠一層功能材料；另一種是在芯層材料（金屬或木材）外表包覆一層木塑復合材料。此外，在木塑復合材料加工領域也進入了微孔發泡技術，有效地提高了強重比。

在木塑復合材料研發早期，人們普遍認為不易降解的熱塑性塑料與木材粉末按一定比例混合形成的木塑復合材料是利用樹脂基材包埋木材纖維。因此，即使不加入殺菌劑，樹脂自身的高耐腐性也可以阻止真菌的攻擊，為木塑復合材料提供足夠的耐腐性能，如李大綱和葉永連在實驗室條件下探討了木塑復合材料對白腐菌的耐久性，結果發現：木塑復合材料的耐腐性遠超木材，重量損失率小于10%[23]。然而，在戶外使用時，木塑復合材料會遭受很多生物因子（如白蟻等）和非生物因子（如紫外線等）的多重危害，其耐腐性并非達到預期，且產生老化，使木塑復合材料力學性能嚴重下降[24]。

3 室外用刨花板

目前，刨花板主要用作室內裝飾及家具材料等。在室外，以刨花板為原料的地板亦有少量應用試驗，表現出較好的使用性能[25]。相比木塑復合材料，室外用刨花板更加經濟實惠，且具有強度高、耐高溫低溫、耐酸堿等性能，可用于室外路面鋪裝。

對于室外用刨花板，要求其有更高的尺寸穩定性。刨花板的主要原料為膠黏劑和木材刨花，可從原料入手提高成品的尺寸穩定性。陸仁書等[26]利用單寧膠和興安落葉松制備了室外刨花板，達到了德國室外刨花板標準。蔡祖善編譯國外文獻顯示，利用桉木碎料與單寧甲醛膠可生產室外級刨花板[27]。以上兩個研究案例，皆屬于使用特殊膠黏劑使刨花板達到室外使用之標準。對木材刨花采用預處理，如采用乙?；幚砟静呐倩?、PF樹脂浸漬木材刨花、蒸汽預處理木材刨花等方式對木材刨花進行預處理[25]，可提高刨花板尺寸穩定性。也可以對刨花板進行后期熱處理，在不影響強度的前提下提高刨花板的尺寸穩定性[28]。

4 室外用中密度纖維板

中密度纖維板同樣常用于室內家具制造，并逐步向戶外拓展，主要用于建筑門窗、掛板、裝修板、活動房墻板等場合。由于戶外自然環境影響，室外用中密度纖維板需要具有防潮、耐水、耐老化等性能[29]。

美國從20 世紀70 年代開始研究室外用中密度纖維板，并成功開發出這一新產品[27]。美國林產品實驗室以異氰酸酯（MDI）樹脂為膠黏劑制備室外用中密度纖維板，檢測結果顯示尺寸穩定性、抗破壞性能、耐久性等都超過了當時標準。由于PF樹脂固化后具有優越的耐水性，因此歐洲專家采用PF樹脂為膠黏劑制備室外用中密度纖維板，并獲得成功[30-31]。同時，由于PF樹脂膠合的木質材料內部具有堿性和殘留酚類物質，也賦予了這種板材具有耐腐性能。我國學者從1988 年開始對室外用中密度纖維板進行研究[32]，研制了PF樹脂中密度纖維板并在北京光華木材廠進行了中試生產試驗。而福州人造板廠則選用MDI樹脂為膠黏劑制備室外用中密度纖維板，獲得成功[33]。從國內外室外用中密度纖維板的相關研究可看出，這類板材制造的技術關鍵在于膠黏劑種類的選用。

5 結語

綜上所述，室外用木質復合材料雖已得到廣泛應用，但仍有諸多問題需要通過進一步研發來解決，如裝飾性、功能性、環保性等問題，例如重組木面臨著脆性問題以及有機揮發物的環保問題，再加之密度較大，難以發揮木質材料輕質高強材料的優勢，而木塑復合材料的耐老化性能差，會影響到其使用壽命。未來應對室外用木質復合材料進行針對性研究，優化工藝和產品結構，持續改善性能。另外，未來的研究可以考慮將木質單元網格化后與改性或雙組分樹脂進行復合，可以在防腐性能、力學性能和制造成本方面實現平衡；此外，可考慮對板材進行膨化后再進行樹脂浸漬，然后加熱模壓形成室外用新型木塑復合材料，對傳統產品使用范圍進行擴展；也可以考慮在板材制備時，采用PF改性的UF樹脂或MF改性的UF樹脂或MDI改性UF樹脂，降低成本的同時保證環保性能。