室外用木质复合材料关键技术分析

卫佩行 王建和

（1.江苏农林职业技术学院风景园林学院，江苏 句容 212400；2 西南林业大学材料与化学工程学院，云南 昆明 650224）

CO2等温室气体可能引发全球气候变化[1]，而森林是地球陆地生态系统中最重要的贮碳库，木材是这一碳库的主要组成部分[2]。相较于水泥和钢材，木材不仅在生长过程中固碳，且在生产加工中耗能更低、碳排放更少。因而，木质材料将在实现“双碳”目标中发挥重要作用。推广使用木质材料，替代高能耗、难降解材料，是低碳发展的一个方向[3-5]。

木材的主要化学组分是起骨架作用的纤维素、填充作用的半纤维素和粘结物质的木质素，这些成分是木腐菌等微生物的食物来源，因而木材在使用过程中易遭受木腐菌的侵袭，导致力学性能下降[6]。此外，与室内使用环境不同，室外环境更为复杂，如长期紫外线照射会使木材发生光降解[7]；雨水侵蚀会造成木材翘曲、变形、开裂等问题[8]。

为延长木材在室外使用寿命，需要采取一定措施对木材进行处理。在此领域，研究者进行了大量试验研究，开发了防腐木、炭化木、重组木和木塑复合材料等四种常见室外用木质材料，前两种属于木质改性材料，后两种属于木质复合材料。本文旨在重点对重组木和木塑复合材料两种复合木质材料的制备方法、防腐效果以及使用性能进行梳理和分析，同时也总结了国外应用广泛但国内较少使用的室外用刨花板和中密度纤维板的关键技术，以期为开发性价比高的新型室外用木质复合材料提供参考。

1 重组木

重组木是将枝丫材、小径材等原料进行单元加工后施胶重组成型类似天然木材的木质产品，密度较高，是木材小材大用、劣材优用有效途径之一。按木材单元分类，重组木可以分为两类：传统重组木和高性能重组木。传统重组木以小径级木材为原料，经碾压疏解后形成纵向排列、横向相连的木束，施胶后热压成型的具有木材纹理的新型木质材料[9]。传统重组木原料充分利用了林业剩余物，具有较高纵向力学性能。随着技术进步，传统重组材原料不再限于速生小径材、枝丫材，也纳入了竹材、农作物秸秆等[10]，但由于传统重组木难以精准控制木材疏解，产品质量相对不稳定。

制备传统重组木时，新鲜材无需水煮软化直接疏解，而干木材需要水煮软化。木材含水率在50%～80%为宜。碾压次数以3 次为佳，次数过少则疏解度低，次数过多则木纤维断裂[11]。为保证施胶效果，木束干燥后的含水率控制在10%左右。重组木采用的胶黏剂是低分子量、低黏度的酚醛树脂胶，可采用负压浸胶或正压喷胶[12]。负压浸胶可使胶黏剂渗入细胞腔甚至细胞壁，且渗透效果好[13]；正压喷胶施胶不均匀，但节约胶量，可降低成本，因而，在生产应用中根据产品性能进行调整施胶方式。增加施胶量可提升重组木的综合性能，但施胶量超过临界值后，重组木性能提升效益递减[14]。同样，浸胶时间并非越长越好。组坯方向也会影响重组木性能。研究表明：平行铺装的重组木具有良好的纵向力学性能和耐水性能，而采用一定角度铺装组坯形成的重组木则呈现出横纹和顺纹干缩率小的优势[12]。

基于传统重组木和单板类人造板生产技术，以旋切单板为原料进行碾压纤维化疏解，再经过类似工艺制备出新型重组木，其性能优于传统重组木，称之为高性能重组木[15]。制备高性能重组木的旋切单板厚度非常关键。单板厚度在2～6 mm之间时，单板厚度越大，重组木力学性能越低而耐水性提高。当单板厚度大于6 mm，产品力学性能和耐水性能均降低[16]。浸胶前，单板的含水率通常要控制在12%左右。另外，高性能重组木的施胶方式为真空-加压浸渍的施胶方式[17]。

研究表明：PF树脂浸渍形成的高性能竹基纤维复合材料的防腐效果可以达到强耐腐等级I级[18]，通过疏解木质单元浸渍PF树脂后组坯热压而成的重组木应具有一定的耐腐性能，但关于重组木防腐性能的研究并不多。根据前人研究，重组木的防腐性能可通过密度、浸胶量和防腐剂等因素的调整和添加，达到户外用材的耐腐等级[18]。相比木材及普通木质人造板（胶合板、刨花板和中密度纤维板），重组木的密度增加了0.4～1 倍，强度增加了1～7 倍，弹性模量增加了1～6 倍，表现出优异的物理力学性能[18]。

2 木塑复合材料

木塑复合材料是以木质纤维与高分子树脂混合并添加偶联剂经过一系列工艺形成的复合材料，具有尺寸稳定、易加工、耐腐朽等优点。影响木塑复合材料力学性能的因素有很多，如木质填料（树种、含水率、含量、尺寸、预处理等）、热塑性树脂（种类及预处理）、偶联剂种类、成型方法及环境因素等。其中，成型方式是木塑复合材料生产的重要环节，对木塑复合材料力学性能具有关键影响。

木塑复合材料主要有三种成型方式：注塑成型、挤出成型和压缩成型。不同的加工方式制备的木塑复合材料性能呈现较大差异[19]。木粉大小也会影响木塑复合材料性能，木塑复合材料的拉伸强度随着粒径减小呈现先升高后下降的趋势，冲击强度也上升至一个峰值后下降[20]。在一定温度条件下，木纤维含量越多，木塑复合材料抗蠕变应变能力越强[21]。

近年来，木塑复合材料加工开始采用共挤出工艺[22]。共挤出木塑复合材料有两种产品结构，一种是在木塑复合材料表层共挤一层功能材料；另一种是在芯层材料（金属或木材）外表包覆一层木塑复合材料。此外，在木塑复合材料加工领域也进入了微孔发泡技术，有效地提高了强重比。

在木塑复合材料研发早期，人们普遍认为不易降解的热塑性塑料与木材粉末按一定比例混合形成的木塑复合材料是利用树脂基材包埋木材纤维。因此，即使不加入杀菌剂，树脂自身的高耐腐性也可以阻止真菌的攻击，为木塑复合材料提供足够的耐腐性能，如李大纲和叶永连在实验室条件下探讨了木塑复合材料对白腐菌的耐久性，结果发现：木塑复合材料的耐腐性远超木材，重量损失率小于10%[23]。然而，在户外使用时，木塑复合材料会遭受很多生物因子（如白蚁等）和非生物因子（如紫外线等）的多重危害，其耐腐性并非达到预期，且产生老化，使木塑复合材料力学性能严重下降[24]。

3 室外用刨花板

目前，刨花板主要用作室内装饰及家具材料等。在室外，以刨花板为原料的地板亦有少量应用试验，表现出较好的使用性能[25]。相比木塑复合材料，室外用刨花板更加经济实惠，且具有强度高、耐高温低温、耐酸碱等性能，可用于室外路面铺装。

对于室外用刨花板，要求其有更高的尺寸稳定性。刨花板的主要原料为胶黏剂和木材刨花，可从原料入手提高成品的尺寸稳定性。陆仁书等[26]利用单宁胶和兴安落叶松制备了室外刨花板，达到了德国室外刨花板标准。蔡祖善编译国外文献显示，利用桉木碎料与单宁甲醛胶可生产室外级刨花板[27]。以上两个研究案例，皆属于使用特殊胶黏剂使刨花板达到室外使用之标准。对木材刨花采用预处理，如采用乙酰化处理木材刨花、PF树脂浸渍木材刨花、蒸汽预处理木材刨花等方式对木材刨花进行预处理[25]，可提高刨花板尺寸稳定性。也可以对刨花板进行后期热处理，在不影响强度的前提下提高刨花板的尺寸稳定性[28]。

4 室外用中密度纤维板

中密度纤维板同样常用于室内家具制造，并逐步向户外拓展，主要用于建筑门窗、挂板、装修板、活动房墙板等场合。由于户外自然环境影响，室外用中密度纤维板需要具有防潮、耐水、耐老化等性能[29]。

美国从20 世纪70 年代开始研究室外用中密度纤维板，并成功开发出这一新产品[27]。美国林产品实验室以异氰酸酯（MDI）树脂为胶黏剂制备室外用中密度纤维板，检测结果显示尺寸稳定性、抗破坏性能、耐久性等都超过了当时标准。由于PF树脂固化后具有优越的耐水性，因此欧洲专家采用PF树脂为胶黏剂制备室外用中密度纤维板，并获得成功[30-31]。同时，由于PF树脂胶合的木质材料内部具有碱性和残留酚类物质，也赋予了这种板材具有耐腐性能。我国学者从1988 年开始对室外用中密度纤维板进行研究[32]，研制了PF树脂中密度纤维板并在北京光华木材厂进行了中试生产试验。而福州人造板厂则选用MDI树脂为胶黏剂制备室外用中密度纤维板，获得成功[33]。从国内外室外用中密度纤维板的相关研究可看出，这类板材制造的技术关键在于胶黏剂种类的选用。

5 结语

综上所述，室外用木质复合材料虽已得到广泛应用，但仍有诸多问题需要通过进一步研发来解决，如装饰性、功能性、环保性等问题，例如重组木面临着脆性问题以及有机挥发物的环保问题，再加之密度较大，难以发挥木质材料轻质高强材料的优势，而木塑复合材料的耐老化性能差，会影响到其使用寿命。未来应对室外用木质复合材料进行针对性研究，优化工艺和产品结构，持续改善性能。另外，未来的研究可以考虑将木质单元网格化后与改性或双组分树脂进行复合，可以在防腐性能、力学性能和制造成本方面实现平衡；此外，可考虑对板材进行膨化后再进行树脂浸渍，然后加热模压形成室外用新型木塑复合材料，对传统产品使用范围进行扩展；也可以考虑在板材制备时，采用PF改性的UF树脂或MF改性的UF树脂或MDI改性UF树脂，降低成本的同时保证环保性能。