芦苇纤维材料的应用及发展趋势*

王 齐 李晨琦 张雪松 王春明 潘宇峰 苏 芸

（黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081）

我国是木材严重短缺的国家，近年来我国加大了对生态环境保护的力度，森林面积正在不断扩大，但可在森林消耗方面的控制及日趋严格的环保政策，木材资源实施天保工程禁止木材的采伐，造成木材严重短缺，进口木材比例升高。当前，我国人造板与木制品行业不断提升产值产量来满足客户的需求[1]。如何高效利用木材资源成为木材企业首要考虑的问题，寻找木材的替代材料也是解决木材资源匮乏的有效途径之一。目前，我国已从宏观政策上大力支持木材企业进行非木质植物纤维复合材料的研发与生产，这将促使相关木材生产企业调整产品类型，应用新型工艺。

1 生物质材料芦苇利用的可行性分析

芦苇具备可再生、可降解和无污染等优点，其茎秆坚韧，纤维长、木质素含量高，有优良的耐水性、抗病性、柔韧性，使芦苇在制造某些产品时可代替木材，在制造纸张、人造板时可以作为主要的原料。芦苇在我国分布广泛，目前面积1 千多万亩，产量高，分布北从黑龙江的三江平原，南至湖南的洞庭湖畔，集中分布于东北、华北、西北地区，并处于一种无序的生产状态，蓄积量较大。

当前，受国外低价纸浆、环保等因素影响，以芦苇为原料的造纸厂陆续关闭，而人造板产业正在寻找木材的可替代非木质植物纤维资源，特别是在我国封山育林政策的重要阶段，如何利用现有资源，让其真正做到材尽其用，是我们追求的目标。目前，如何充分利用芦苇资源把生态优势转化为生产力，是我们重要的产业拓展新方向。基于芦苇为原料的生物质材料人造板、重组材料产业在我国具备了资源、地理优势和产业基础，开发利用芦苇这一丰富生物质资源进行人造板和非木质重组成材工艺研究，具有十分广阔的研究前景，不仅可以调整木制品企业的产业结构，提高经济效益，还可以提高植物基复合材料产品的种类，并带动上下游产业的蓬勃发展。

2 以芦苇纤维材料为原料的板材主要应用及行业发展现状

我国以芦苇纤维为原材料的复合材料的生产中，主要是以芦苇人造板为主，利用的是芦苇茎秆，由于其茎秆纤维坚韧、纤维含量高达4%~60%，颜色自然，集成时可预置纹理，适合制作优质的非结构性装饰材料以及结构性支撑材料。芦苇在集成加工与木材集成加工工艺有很多不同之处，由于苇秆表面附着的硅质及内壁存在一定量的絮状物，且芦苇中含有少量糖分，使得芦苇加工过程中胶黏剂的选择具有特殊性，这些都是影响芦苇材料胶合性能及复合成材力学性能的重要因素[2]。在芦苇纤维人造板研究中往往采取对芦苇表面硅质完全溶解脱硅的方式或以异氰酸酯[3]作为唯一的选择。实际生产中，传统的脱硅方法和胶合方法不仅浪费大量的水资源，还会增加有害化学品的排放，同时由于强碱液长时间的高温作用也大大降低了芦苇纤维原有的强度及自身的拉伸力等物理性能[3]。同时异氰酸酯胶黏剂的价格会加大制造成本，致使这一优质材料一直没有得到充分有效的利用。

目前芦苇人造板制造工艺有两种：一种是芦苇刨花板[4]。目前部分研究生产采用单纯地将芦苇材料打碎成碎料单元，分离薄壁组织，剩下纤维材料制成了刨花板。在国内以往的研究中发现，将芦苇材料打碎的刨花尺寸越小，芦苇刨花板的物理性能越好，才有利于碎料之间的胶合[5]；在胶合过程中发现，芦苇碎料的胶合界面大于木材刨花的胶合界面。但植物复合材料的强度取决于尽可能不被破坏的植物纤维，当纤维被打碎成纤维长度小于10 cm 时，复合材料的抗弯强度就会大大降低，就像同规格的木材碎料复合材料和实体木材抗弯强度会大打折扣一样。

第二种是芦苇纤维板。王新洲[6]等人研究了芦苇作为纤维板原料的特性。结果显示，芦苇的纤维率达到了87.4%，说明芦苇是一种可代替木材来制造纤维板的原料。芦苇纤维板是将芦苇茎秆加工刨片后进行热磨处理获得芦苇纤维，来制备芦苇纤维板。其中长纤维含量越大，纤维板的交织性能就越好，能够提升板材的力学强度。但是芦苇茎秆表面存在蜡质层，这是一种硅量及脂肪类含量较高的物质，使板材润湿性能差，从而导致板材难以胶合。通过加入硅烷偶联剂，可以改善板材的润湿性能；还可以将芦苇纤维碎料进行改性处理，如蒸汽处理、水煮、等离子体处理等来改善原料与胶黏剂之间的作用，从而达到良好的胶合性能。

芦苇表面有一层树脂层和硅质层，常规树脂胶对该层薄膜渗透力差，难以有效胶合，故生产工艺与木材也存在差异。目前技术工艺对芦苇复合材料的制备限制了产品的质量，以上两种方法对芦苇材料表面脱硅、脱糖及絮状苇膜的筛除处理上只是将芦苇长纤维打碎，从而破坏了纤维强度，造成得到材料性能差、成本高、技术应用受限、施胶量大，增加了材料中有害成分的释放。同时芦苇材料的利用率也较低，成为阻碍芦苇材料利用和产业发展的关键瓶颈。因此，以芦苇纤维与胶黏剂之间的胶合问题可以通过一些特殊的处理方法得到解决，例如对芦苇材料进行预处理、改变胶黏剂的配方等，通过这些方法，可以使芦苇与低成本胶黏剂之间形成有效的胶合，进而生产出高性能的芦苇板材。

3 芦苇纤维材创新发展趋势

在前期以芦苇为基材的人造板研究基础上，芦苇纤维材料研究发展具有更多的可能性。在人造纤维板和刨花板的基础上，可加入不同的纤维材料或其他复合材料制作出新型复合材料。当前，研究人员通过有效利用芦苇天然植物纤维材质的耐腐、保温、隔声、耐水、韧性等性能特点，将芦苇用作新结构人造板功能性组织材料或某一层级辅助材料，例如水泥/石膏芦苇纤维复合材料板材、芦苇纤维增塑热塑性复合材料、芦苇纤维聚氯乙烯复合材料等等。

同时可通过其完整的纤维组织加工成芦苇纤维重组材，通过对芦苇纤维的原料疏解及表面处理、辅助材料以酚醛树脂胶黏剂为主，施胶量预计为8%~12%、经过热压成型等工艺生产技术，研究制造出具有与木质材料相似的一种新型芦苇基重组成材的植物基环保材料。这种新加工工艺可减少对木材的依赖，工艺连续性强，自动化程度高，性价比高于传统木质基材重组成材。现今经过30 年的对于芦苇基等非木质植物纤维重组成材的研究方兴未艾[7]，尽管重组竹与重组木为芦苇基重组成材提供了研究方向，但尚未建立基础理论体系和工艺技术系统。

4 结论与建议

虽然芦苇纤维材料可以作为功能性材料基材及重组材，也是我国重要的碳固化、碳迁移的重要发展方向之一[8]。但是在现实研发与生产过程中，受到诸多材料特性的干扰和限制。我们需建立基础理论体系、工艺技术系统及科学评价标准，同时对不同产品检测方式重新规划。在整个系统完善后，对于产业发展、国家林业产业政策的充分实施，环保效益及木材资源的替代有着不可估量的作用。不仅能带来极其可观的经济效益，也能缓解当前优质木材短缺的现状，使这一具有高强纤维特性优势的天然低廉材料得到高价值利用[9]。并在生产环保、低碳、高附加值产品完全符合我国有关发展低碳经济六方面内容中关于提高能效节约能源、优化和调整产业结构、科技创新的政策。

综上所述，芦苇重组材的出现完全符合我国当前的科技发展和市场需求，以非木质植物原料为基材的新型结构复合材料具有广阔的应用和产业化前景[10]，进而为推动我国木制品行业的发展转型提供了坚实的技术基础，并对我国的环保事业做出巨大的贡献。