木材对环境保护的响应特性和低碳加工分析1)

李 坚

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

1 二氧化碳排放与低碳经济

随着人类经济社会的飞跃发展，现代工业生产和生活方式造成了二氧化碳的大量排放，超量的二氧化碳是温室气体的主要组成部分，由此引发“温室效应”，导致全球气候变暖。据统计资料记载，在20世纪的100 a中，人类共消耗2650亿t煤炭、1420亿t石油，同时排放出大量的温室气体，使大气中二氧化碳质量浓度在20世纪初的不到300 mg/L上升到目前的接近 400 mg/L［1］。

若不采取有效的应对措施，如此发展下去，预计在未来20 a中，气温约将以0.02℃/a的速度升高［2］。气温的不断升高，严重破坏着自然生态系统，严重威胁地球上赖以生存的人类和生物体的安全。由此，在人类生产、生活及所从事的一切生命活动中，必须采取有效措施，坚持不懈地减少向大气碳库中排放二氧化碳等温室气体。目前，我国正处于工业化高速发展时期，能源消费处于“高碳消耗”状态。在人们重新审视以往的生产和生活方式的时候，当人们历经着气候的极端变化的时候，愈来愈多的企业和国民开始接受“低碳经济”的理念、转变经济发展方式的“低碳产业”的变革，以及减少自然灾害，保障环境友好、人体健康的“低碳生活”，等等。

所谓低碳经济是指以低消耗、低排放、低污染为基础的绿色经济。以应对碳基能源对于气候变暖影响为基本要求，以实现经济社会的可持续发展为基本目的。低碳经济的实质在于提升和应用能效技术、节能技术、可再生能源技术、温室气体减排和储存技术，以促进产品的低碳开发和维持全球的生态平衡。这是从高碳能源时代向低碳能源时代演化的一种经济发展模式［3］。我国政府十分重视中国经济社会发展方式，由高碳经济向低碳经济的转变。2007年9月8日，胡锦涛总书记在APEC会议上，向与会各国提出“发展低碳经济，努力建设资源节约型、环境友好型社会”的建议，得到了各国政要的认同和响应。低碳经济之所以受到世界各国的普遍关注，这与全球环境问题的日益突出有着密切的关系。

2 木材的多R特性与环境响应

木材是树木在天然环境中生长形成的一种绿色材料，是森林生态系统中储量巨大的一种生物质。

树木在生长过程中，作为“生产者”(有生命部分)和环境(无生命部分)共处于一个生态系统之中。它们之间有着天然的密不可分的关联。树木被采伐后，其木质部就是木材。木材仍可视为是树木生命的延伸。因为木材保留着生长时形成的生物结构以及色、气、质、纹等天然形成的品质。与其它材料相比，木材拥有与环境和谐、永续利用和实现节能减排，利于经济社会可持续发展的多R特性。

2.1 “4R”的由来与意义

日本曾在1990年提出发展3R型社会的基本方针，旨在通过节省资源(Reduce)、废旧产品再使用(Reuse)、废弃物再资源化(Recycle)，实现资源的循环利用，并且已经取得了很大的进展，积累了成功的经验。

继3R(Reduce、Reuse和Recycle)之后，中国香港环保署提出了“环保4R”是以4个R为首的环保守则，又称为环保四用，是用来解决环境问题的四个原则。至于第四个R有不同的说法:有的认为应该是“Replace”(替代)，也有认为应该是“Recovery”(回收再用)。国际公认的环保“4R”是:Reduce(减少使用量)、Reuse(重复使用)、Recycle(循环使用或重制再用)和Recovery(回收再用，回收能源或改变化学性质再用)，其主要用意是遵守“4R”守则，实现废弃物的回收利用，既创造新的价值，又减少了对环境的污染，保持节约、清洁的社会形象。

环保“4R”的内涵和意义如下:

Reduce——减少用量。例如:选择双面影印与打印，并采用电子通讯方式，从而减少用纸量。

Reuse——重复使用。例如:将包装物料(例如纸箱、胶袋等)重复再用，要求供应商收回包装材料，清洁或修缮后反复使用，不要用一次就丢弃;重复再用设备零件与装置，以及修补家具等，以减少制造废物。

Recycle——循环使用或重制再用。是指收集本来要废弃的材料，分解再制成新产品，或者是收集用过的产品，清洁、处理之后再出售。就是把使用过的物品经过再一次处理后成为新的产品，像再生纸、再生玻璃，就是最好的例子。

Recovery——回收再用。主指回收能源或改变其化学性质再利用。可从垃圾中找回可利用的资源，经处理后再用。例如:猪、牛等动物的排泄物可以制成肥料或燃料。

出自于要减少污染的最终目的，也有人认为“3R”和“4R”还不够完全，应该增加Repair和Refuse。Repair(再修复)也就是要重视维修保养，延长物品使用寿命。Refuse(拒绝使用)拒用无环保观念产品。例如:拒用一次性筷子。因为要消耗竹材或木材，而且一次性筷子并不卫生，运送过程加入防腐剂，制程中加入二氧化硫或双氧水漂白，长期使用可能影响身体健康。拒用塑胶袋。塑胶袋曾经被称为万年垃圾，难于自然界中分解。

上面所描述的用于环境保护的“4R”守则，其目的是将污染减到最低，同时又充分利用了废弃物资源。

2.2 木材加工的设计理念

比对环保“4R”守则，依据家具等木制品设计、木结构住宅等建筑设计及其构建人居微环境的设计理念，人们会领悟到在人类生活和工业利用中，以木材为原料，与环保“4R”的理念和意义有多么相似!木材的性质和行为与环境保护的目的和要求有着高度的响应性。

以木材或木质材料(如竹材、人造板等)为原料制造家具和室内设计，遵循“绿色设计”的理念。绿色设计理念是20世纪80年代在世界范围内提出，并迅速在多领域设计部门予以重视和实行。如:建筑及室内设计、家具设计、产品设计、包装设计等。其主要设计原则:节省能源，即着力从节约资源的角度开发产品和服务，如对节能、节水、节材等技术研究成果的应用;降低污染，即通过着力于减少、消除污染的途径开发产品和服务，如无氟冰箱、无铅油墨、绿色包装等;回收及再利用，即实施绿色设计，使产品可以翻新和循环利用，最大限度减少丢弃物，变废为宝，最有效地综合利用资源;消除污染，即着力于净化生态环境、提高生活质量而开发产品与服务。我国著名的家具与室内设计专家胡景初指出，“4R”理念属于绿色设计的一种设计方法，符合信息社会，使现代家具设计体现高新技术，又是以环境和环境资源保护为核心，以保护人类生态环境、维护人类身体健康为目的的设计理念及行为。这一设计是基于人们工业化发展中对能源浪费、环境污染、生态破坏的认识。“4R”是由英文的 Recovery、Recycle、Reuse和 Reduce四个词的第一个字母组合而来，这四个词的词意构成了现代环保设计(即绿色设计)的内涵之一。这种设计方法充分考虑产品原材料的特性和产品各部分零件容易拆卸，使产品废弃时能将其材料或未损坏的零部件进行回收、再循环或再利用。“减量”的含义是:在设计开发之初，尽量减少资源的使用量，将生产产品所需材料降到最低限度。在造型设计时要尽量做到简洁、明快、适度，细部设计要质朴而不乏精致，体现出高雅的设计品味;在包装设计上要避免过分奢华和超过产品自身价值，以合理满足产品的保护、运输及消费者审美需求为宜。把绿色设计的4R理念作为产品生产策略，将为企业创造一个“量少、质精和避免对环境造成污染”的绿色设计的文化。

一般而言，一件同时具有实用性和宜人性的物品必须满足健康、安全和环境的标准要求。对产品设计的研究不仅要考虑产品的实效设计，而且还要强调它所放置的环境，势必要考虑到利用有限而珍贵的地球资源，循环利用再生材料和可持续发展等问题［4］。

2.3 木材性质响应“4R”守则

比较环保“4R”守则的内涵和目的，木材及木质材料的利用比相同场合下使用的表现同一用途的其它材料更适应“4R”守则。就木材而言，还具有与另外2“R”(regrowth、replace)响应的特点。下面具体阐述木材加工、利用时所具有的多“R”行为和效果。

Reduce:木材易于加工。木材是一种硬度低、密度小、多孔性的植物纤维材料，具有良好的加工性能。对它可以进行任何形式的机械加工、功能性化学加工和表面装饰，在彼此之间及与其他材料之间容易进行良好的多种形式的连接，可以成型为家具、各种各样的木材制品及其木结构建筑等;应用高新技术和现代加工设备可以获得低消耗(资源、能量，加工费用等)、无污染和质量高的产品。木材的强质比高。强质比是材料的极限强度与密度的比值。木材的强质比较一般工程材料大。例如，与钢同样断面的桦木，强度相当于钢的1/5～1/4，而质量只为钢的1/15。木材强质比的这个特点，使它很适合做结构用材。因木材细胞壁物质呈薄壳状分散分布，这对木材的弯曲刚度有重要作用。一定量的材料排列成散布的管状结构就会大大地增加梁、柱用材的弯曲抗力。所以，在长梁和柱的应用中木材比其它实心结构材料的刚性指标好［5－6］。

由于木材具有易于加工、强质比高的特点，自然会在加工利用中达到资源用量少和成品效率高的要求。

Reuse:最明了的例子——比如家里用过的塑料袋，不要用过一次就丢弃，可以把它洗干净再用;对木材而言，这一方面就更具优势了。使用多年的家具、木制品、木地板、木天棚及木壁板等，可以通过砂光、涂饰或简单修补等方法使之焕然一新，重复使用会使人爱不释手，这是其它一些材料所不能比拟的。由于木材极易进行各种修补性的加工，不但使原来的产品可以重复使用，而且也节省能源的消耗。

Recycle:木质废弃物具有广泛的来源，主要有两大类。第一类产生于加工产品、制品的全过程，主要有森林采伐剩余物、原木造材剩余物、木材加工剩余物(即三剩物)，也包括果壳、核等森林副产品的废弃物;另一类产生于人们生活中使用后作为垃圾被废弃的木质制品和木质纤维制品。木质废弃物的形式也非常复杂，有木屑、锯末、刨花、板皮、枝丫、截头、木片、废旧纸箱、纸板和废旧木材等，据统计，这些废弃物甚至可以占到原木材积的50%［7］。如此之多的木质废弃物，急需全面回收、重制，提高我国木材的综合利用率和综合利用的技术水平。随着科学技术的进步，我国相关领域的科技工作者和生产企业，针对木质废弃物的形态、尺寸等自身特点全面地进行了多种途径的重制利用。诸如:利用木质废弃物制造各种人造板、新型木质复合材料;生产生物质洁净能源;采用热解、水解、萃取等方法制造出多种化学精细产品等。这已大大推动了我国林产工业的迅速发展，创造了巨大的经济价值，保障了国民消费，减少了环境污染。

Recovery:对木质废弃物而言，其内涵与Recycle相似，只是更有侧重于能源回收和经化学处理后再用。与其它类别的废弃物相比，木材也具有很好的符合度，在此不再赘述。笔者认为，根据木材自身的性质，以下的两个“R”也顺应环境保护的需要，因此可以说木材拥有与环保守则相适应的多R特性。

Replace(替代):以水溶性油漆代替溶剂油漆，以耐用的用具代替用完即弃的物品，尽量选用环保的代替品，例如可天然分解的清洁剂和垃圾袋，并使用毒性较弱的化学物质。

用于同一目的，在选择使用何种材料时，若比较加工或生产过程中所消耗的能源，木材具有显明的优势。研究结果表明:木材与水泥、钢材、塑料和铝等材料的代用当量的能源消耗相比，只相当于后者的1/10、1/20、1/30。我国由于技术上的原因，这些材料生产过程中能源消耗比较大，除了水泥以外，木材耗能与其他材料耗能比值更大(表1)［8］。表中可见，木材代替其他原材料节省能源消耗，形成的二氧化碳减排效果成倍数增加。

表1 木材与常规材料能耗比较(相对比值)

Regrowth(再生长):通过植树造林，加强森林经营管理，增加木材的年生长量，成熟后即可采伐利用，也可实现木材资源的永续利用。木材是四大建材中唯一在自然界可天然生长形成的有机材料，具有与环境友好，有益于人体健康等一系列优良的环境学品质，是人类生活中不可缺少的耐久性好的材料。产品使用的生命周期很长，其废弃物可以经过不同的处理方法，按照环保“4R”的要求，可重复再用、循环使用，是响应环保守则的首选材料，并且在加工利用时还具有固碳、节能作用。

3 木材储碳的延伸与低碳加工的必然

木材中含有50%的碳元素。树木生长时由于光合作用，吸收了大气中的二氧化碳，经过生物化学作用，形成了有机高分子聚合物，这就是木材的主体。因此，木材的碳储量丰富，是树木碳汇的延伸。当木材进行加工、利用时，须采取科学的加工和保护方法，使碳素的储存继续稳固，以减少CO2的排放量。目前，世界各国十分重视发展低碳经济，走“低碳”发展之路。低碳经济的关键是“低碳科技”和“低碳产业”，木材加工工业是其中的重要组成部分。如何在全行业实施木材的低碳加工和科学保护具有十分重要的意义［9］。下面阐述关于深入研究和逐步实施以木材或木质材料为原料的节能减排、低碳加工的相关问题。

3.1 加强木材的科学防护

当木材、木质材料和制品被燃烧和腐朽时，原本被封存在其中的以有机物形式储存的CO2又会被释放出来，所以实施木材的阻燃处理和防腐处理是十分必要的。世界上科技发达国家非常重视木材防护技术的研究与开发。美国每年木材防腐处理量为1800～2000万m3，相当于每年减伐林木4000多万m3;新西兰每年处理量约为270万m3;英国约为230万m3。美国、英国和新西兰年处理量分别占木材消耗量的15.6%、20%和43%。我国年防腐处理木材约为60万m3，约占木材消耗量的0.3%，说明木材防护能力很低。并且每年约有60%的商品木材没被立即加工利用，要经过夏季储存，其中又有40%的木材遭受真菌的腐蚀和虫蛀，严重影响木材品质和使用寿命。关于木材的阻燃处理量与木材消耗量相比更是微乎其微。木材燃烧不仅消耗资源，危害安全，更重要的是木材燃烧时，将储存的碳素又以CO2等气体的形式排放到大气中，加剧破坏自然界的生态平衡。因此，必须提高木材防护意识，加强木材阻燃和防腐处理能力，优化木材防腐、阻燃等防护处理技术。木材防腐技术的关键，是改良、优化传统的防腐剂和开发低污染、高效率的新型防腐剂。目前，生物防腐剂引人注目，这类防腐剂包括:植物提取物及其分子修饰产物用于木材的微生物和虫害防治;微生物用于木材的防霉;生物酶用于木材的微生物防治［10］。此外，要不断探寻新的木材防腐途径。譬如:采用高温缺氧的方式对木材进行热处理，可得到“炭化木”。而炭化木具有优良的尺寸稳定性和防腐性能，一次处理可达到多种效果。因为超高温热处理破坏或断绝了木腐菌生长繁衍所必要的生活条件，诸如水分、硫胺素、酸碱度等，使木材中的木腐菌或其它微生物因饥饿而死或离散迁移。

3.2 研究木制品和复合材料的低污染加工技术

由于木材具有独特的自然美感和环境学特性，所以常常用来制作室内家具和日常生活用品，装饰人居空间和建筑房屋;以木材为原料的各种加工形式制得的人造板、纸张及各种木质基复合材料广泛地应用在人们生活和各个部门。木材制品及各种林产品和复合材料则是将林木生长吸存的碳继续固定和储存，在木材或木质材料加工时，注意开发和采用高新技术，在低碳工艺和技术指导下进行加工，以节省能源和减少或避免这些材料所储存的碳又会以各种形式回归到大气中去，增加CO2浓度和温室效应。

①研制低污染、无污染的木工胶黏剂和人造板用胶黏剂以及新型的胶合方法。如非甲醛系列胶黏剂，水性高分子复合型胶黏剂等。

开发、研制低甲醛释放量的脲醛树脂胶黏剂。一些研究者通过改变脲醛树脂的摩尔比(F/U)和合成方法及固化体系，开发低毒性低甲醛释放量的新型脲醛树脂胶黏剂。这种胶黏剂用于室内装修和家具用材，可以减轻具有强刺激性的挥发性甲醛对环境和人体的危害。研制、使用不含甲醛的非甲醛系列胶黏剂，它属于非甲醛系合成树脂胶黏剂。国外已将其用于刨花板、定向刨花板、华夫板、中密度纤维板及其他人造板的生产，日本和西欧等一些国家已部分取代了甲醛系列胶黏剂。我国研究者经过多年科技攻关，已成功地开发使用异氰酸酯胶黏剂用于生产刨花板和湿木材胶接等，制造出用于木质材料和木材胶接的系列产品。这些产品用于室内家具制造和装修，彻底解决了室内环境污染和危害人体健康的弊端［11］。

②采用“无胶胶合”或“弯曲”、“整形”方法制造素材或家具等木制品。这些产品用于室内可堪称“绿色产品”。一些研究者利用木材中含有的水溶性天然物质在高温高压下处理，使之自生胶接制造中密度纤维板和胶合板。选择白蜡木、榆木等塑性好的木材在湿热共同作用下弯曲定型，制作的弯曲木家具轻盈、优雅，具有抽象性和艺术性。经过预处理和高温、高压或高频处理可以制成整型木，然后根据用途的需要制造各种家具或木制品。

③研制绿色涂料。木器油漆是指各种木制品和家具采用涂饰和涂料进行的表面装饰材料。国内外历史最久而至今应用最广泛的仍属油漆装饰。油漆时所用的涂料常用相应的溶剂来配成。这些溶剂诸如烃类溶剂、酯类溶剂、酮类溶剂、醇类溶剂和萜烯类溶剂，溶剂中含有大量的有机挥发物，这些具有毒性的物质(如苯类、汽油、酮类、醛类等)在室内会慢慢释放出来造成污染和危害，因此必须选用“绿色”涂料进行木制品和家具的涂饰。

木制品、家具用涂料和涂饰必须接受环境保护法规的制约，必须使用有利于室内环境、减少挥发性有机物(VOC)排放量的涂料;

考虑现实可能使用的涂料，如高固体份涂料(不挥发份的目标值在60% ～70%)、紫外线固化型树脂涂料、水性涂料、粉末涂料、粘贴涂料等;

为变革传统的涂饰技术，提高涂饰效果，采取科学环保型的木材前处理技术，如壳聚糖处理、聚乙二醇涂布、等离子体处理等。

总之，加强研究木材加工过程的低碳节能技术，进行工艺和设备的创新，以此发展木材低碳加工产业，走低碳经济发展之路，已成为时代的必然选择。

3.3 拓展生物质能源的开发和利用

以各种木制品、林产品的加工剩余物和废旧木材和制品等木质废弃物为原料，直接使用或通过相应的加工处理手段后应用。我国以煤和石油为主的能源消耗是温室气体二氧化碳的主要排放源。国家对此高度重视。节能减排和应对气候变化已经成为我国当前经济社会发展的一项重要而紧迫的任务。

目前我国能源资源严重短缺，50%的石油靠进口，石油、天然气剩余可采储量仅为世界人均水平的7.7%和4.1%。石油化工、交通运输业是我国的重要支柱产业，它既是高能耗、高污染大户，更是高碳排放重点行业。仅就机动车而言，到2007年底，已达到1.598亿辆;机动车船和机械设备所消耗的润滑油达600万t左右，而且这两项每年均以10%以上的速度递增。大力发展低碳能源和低碳经济，是我国应对气候变化和实现“十一五”节能减排目标的战略选择［12］。

3.4 对木结构住宅固碳减排的认识

出自于改善人居微环境或所处地域的地理条件等因素的需要，一些国家比较重视民居的木结构住宅建设。我国因木材资源的限制以及人们的生活习惯和爱好的需求，木结构住宅尚未兴起，但在度假村、旅游胜地等一些区域亦可见到木结构的木屋、别墅、宾馆等。从固碳减排的视角来认识木结构住宅的优越性。一些研究者试验研究了采用不同建筑材料建造住宅的固碳状况，得出了相同面积的住宅具有不同的固碳减排效果［8］。如:平均一栋面积为136 m2住宅中储存的碳，木结构住宅固碳量6 t，钢盘混凝土住宅固碳量1.6 t，钢骨预制件住宅固碳量1.5 t;同样面积住宅，主要材料制造时碳的排放量不同，木结构为5140 kg、钢筋混凝土结构为21814 kg、钢筋预制板结构为14743 kg。

由此可见，木结构住房固碳量约是钢筋混凝土结构住宅固碳量的4倍，而木结构以木材为主要材料建造的住宅，其碳的排放量不到钢筋混凝土结构住宅碳的排放量的1/4，木材固碳和减排效果放大了十几倍。

4 结束语

综上所述，木材具有的多R特性与环境保护的要求有着紧密相连的一致性，为木材和林产品的低碳加工、利用及其发展低碳产业奠定了理论基础。面对着我国工业化和经济发展的进程，以低碳经济的理念和视角，须重新审视以往的木材工业发展沿革、技术和生产状况，查找与“低碳技术”、“低碳产业”水平的差距，加强木材工业的加工工艺、设备和节能减排的一体化研究和综合实施，卓有成效地推动木材工业的低碳经济发展进程。

［1］刘焕彬.低碳经济视角下的造纸工业节能减排［J］.中华纸业，2009，30(12):10－12.

［2］秦大河.中国气候与环境演变［M］.北京:科学出版社，2005.

［3］冯之浚，金涌，中文元，等.关于推行低碳经济促进科学发展的若干思考［J］.政策瞭望，2009(8):39－41.

［4］胡景初，方海，彭亮.世界现代家具发展史［M］.北京:中央编译出版社，2005:501－503.

［5］李坚.木材保护学［M］.北京:科学出版社，2006:33－34.

［6］尹思慈.木材学［M］.北京:中国林业出版社，1996:227－228.

［7］刘一星.木质废弃物再生循环利用技术［M］.北京:化学工业出版社，2005:1－6.

［8］李顺龙.森林碳汇问题研究［M］.哈尔滨:东北林业大学出版社，2006:85－87.

［9］李坚.木材的碳素储存与环境效应［J］.家具，2007(3):32－36.

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［11］顾继友.人造板生产技术与应用［M］.北京:化学工业出版社，2009:16－30.

［12］司林.低碳经济:节能环保的绿色新标签［N］.中国建设报，2008－05－08(2).