木質(zhì)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、木質(zhì)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢木材由裸子植物和被子植物的樹木產(chǎn)生， 具有豐富的生物多樣性。 樹木生長 是一個復(fù)雜而協(xié)凋的生物化學(xué)過程， 通過光能利用二氧化碳、 水分和礦物等使自 身發(fā)育成一個粗大的有機體， 木材就是樹木營養(yǎng)生長的主要產(chǎn)物。 木材的形成是 吸收二氧化碳、固碳并釋放氧氣的過程，有利于改善生態(tài)環(huán)境。木材作為傳統(tǒng)的材料， 一直為人類所利用。 隨著自然資源和人類需求發(fā)生變 化和科學(xué)技術(shù)的進步， 木材利用方式從原始的原木逐漸發(fā)展到鋸材、 單板、刨花、 纖維和化學(xué)成分的利用， 形成了一個龐大的新型木質(zhì)材料家族， 如腔合板、 刨花 板、纖維板、單板層積材、集成材、重組木、定向刨花板、重組裝飾薄木等

2、木質(zhì) 重組材料，以及石膏刨花板、水泥刨花板、木塑復(fù)合材料、木材金屬復(fù)合材 料、木質(zhì)導(dǎo)電材料和木材陶瓷等木基復(fù)合材料。木質(zhì)材料在建筑、家具、包裝、鐵路等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。在不可再生 資源日益枯竭、 人類社會正在走向可持續(xù)發(fā)展的今天， 木材以其特有的固碳、 可 再生、可自然降解、美觀和凋節(jié)室內(nèi)環(huán)境等天然屬性，以及強度 - 重量比高和加 工能耗小等加工利用特性， 將為社會的可恃續(xù)發(fā)展做出顯著貢獻。 與其他材料相 比，木材具有多孔性、 各向異性、 濕脹干縮性、 燃燒性和生物降解性等獨特性質(zhì)， 如何更好地利用這些特性和最大限度地限制其副作用， 是木材科學(xué)家和工程技術(shù) 專家長期努力解決的主要問題。 近

3、年來林學(xué)家也積極參與木材科學(xué)研究， 從樹木 的遺傳學(xué)角度認(rèn)識和改良木材的基本特性。、木質(zhì)材料的研究現(xiàn)狀木質(zhì)材料的研究開發(fā)與資源、 經(jīng)濟和環(huán)境的發(fā)展密切相關(guān)， 木材學(xué)、 木材化 學(xué)加工學(xué)、木制品先進制造技術(shù)、木基復(fù)合材料、木質(zhì)重組材料、木質(zhì)生態(tài)環(huán)境 材料和木結(jié)構(gòu)工程學(xué)等研究領(lǐng)域比較活躍。木材學(xué)主要是用生物學(xué)理論研究樹木生長的技術(shù)問題，重點研究木材材質(zhì)、 材性與生物形成和加工利用的關(guān)系。 在提高木材形成速度的基礎(chǔ)上， 重點研究分 子遺傳標(biāo)記、木素基因轉(zhuǎn)移、 木素形成基因分離和克隆、 木材主要性質(zhì)的基因定 位、木材纖維分子數(shù)量遺傳學(xué)等遺傳改良技術(shù)， 提高木材基本性質(zhì)的遺傳穩(wěn)定性； 研究樹木立地條件、

4、初植密度、施肥、間伐、修枝等樹木生長改良條件對木材性 質(zhì)和質(zhì)量的影響； 研究木材生長應(yīng)力的形成和釋放； 以及研究開發(fā)立木染色和方 形樹的培育技術(shù)。隨著木材資源從以天然林為主向人工林轉(zhuǎn)變， 竹材、 藤材和其他禾本、 草本 植物資源已成為木材資源的重要補充，因此，必須運用先進的科學(xué)理論和方法， 深入研究木材的微觀結(jié)構(gòu)、 成分及其與性能的關(guān)系， 為開發(fā)新的生物材料奠定科 學(xué)基礎(chǔ)。重點研究領(lǐng)域有： 人工林木材的幼齡材與天然林木材的成熟材的比較生 物學(xué)、比較解剖學(xué)、比較物理學(xué)、比較化學(xué)和比較力學(xué)；植物材料的基本特性與 細(xì)胞璧超微結(jié)構(gòu)的關(guān)系； 與藻類、菌類細(xì)胞壁的形成和分解有關(guān)的各種酶的分布 和調(diào)節(jié)；定量

5、化研究木材植物組織特征；木材生物活性物質(zhì)的抗菌性、抗蟲性、 抗癌性、香味， 對動物的生理作用和藥理作用， 對無機礦物材料的促凝和緩凝作 用，可生物降解性。 如用熱成像方法研究木材應(yīng)力 -應(yīng)變分布、 水分-應(yīng)變的關(guān)系 以及木質(zhì)材料均勻性； 用非線性理論研究木材流體流動機理； 用輥壓水壓和熱 定型技術(shù)， 對軟質(zhì)木材進行硬化定型處理； 用計算機視覺技術(shù)對木材分等級、 檢 測木材表面質(zhì)量和缺陷； 開發(fā)無損檢測技術(shù)， 提高變異性較大的木材的使用安全 性；用射線成像方法檢測木材蟲害程度和防蟲效果； 用動力學(xué)方法檢測木材的 彈性力學(xué)性質(zhì)；用紅外線檢測方法監(jiān)測城市古樹的穩(wěn)定性等。2. 木材化學(xué)加工學(xué)木材化學(xué)處

6、理方法研究特別注重安全性和經(jīng)濟性， 綜合考慮毒性、 效力、溶 解性和適用性， 從木材的使用前處理延伸到加工前處理和使用后修復(fù)。 重點研究 的領(lǐng)域有： 無毒抗流失硼制劑的固著性， 開發(fā)快速透人型低有機揮發(fā)物的水基殺蟲劑和殺菌劑（膏劑、乳液、硼棒、蒸氣等形式）；研究透氣性木材涂料；提煉 并合成木材天然防腐劑； 引人生物防護技術(shù)， 研究木材共生菌對木腐菌的抑制作 用；木質(zhì)防火材料從難燃擴大到準(zhǔn)不燃。木材化學(xué)利用技術(shù)擴展到氣化、液化、塑化、化學(xué)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。 重點研究植物高分子的結(jié)構(gòu)和物理性 能的關(guān)系； 酶在植物材料轉(zhuǎn)換中的作用； 纖維素和木素均為碳水化

7、合物， 將大分 子裂解為人體酶可降解的小分子， 有可能開發(fā)出新的木本飼料； 將木素進行堿抽 提和酸中和后，可以制取木素碳纖維（圖 1）；用強酸、酚類或多烴基醇使木材 液化，可以充分利用廢棄木材， 其產(chǎn)物可以作為多涇基化合物直接制蚤新的可生 物降解的泡沫材料和酚醛樹脂，部分取代石油產(chǎn)品，具有可生物降解的優(yōu)點。3. 木制品先進制造技術(shù)木制品先進制造技術(shù)在傳統(tǒng)的木材機械加工學(xué)基礎(chǔ)上， 不斷吸收機械、電子、 信息及現(xiàn)代化管理技術(shù)等領(lǐng)域的成果，學(xué)科延伸擴大到木制品產(chǎn)品設(shè)計、制造、 生產(chǎn)、檢測、管理和服務(wù)等全過程，廣泛采用機器人、計算機輔助設(shè)計、計算機 輔助制造、計算機數(shù)控加工中心、 敏捷制造技術(shù)、 柔性

8、生產(chǎn)技術(shù)等先進制造技術(shù)。 以計算機支持的仿真技術(shù)為前提， 對木制品的設(shè)計、 加工、 裝配等全過程進行統(tǒng) 一建模。在產(chǎn)品設(shè)計階段， 實時、并行地模擬出產(chǎn)品末來的制造全過程及其對產(chǎn) 品設(shè)計的影響，預(yù)測產(chǎn)品的性能、 產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品的可制造性， 從而更有效、 更經(jīng)濟、柔性靈活地組織生產(chǎn)，使工廠和車間的設(shè)計與布局更合理、更有效，以 達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高 化。采用計算機數(shù)控技術(shù)、 機器人技術(shù)和邏輯過程控制技術(shù)的木制品柔性生產(chǎn)技 術(shù)，60內(nèi)可改變設(shè)計樣式， 6 天內(nèi)可推出新產(chǎn)品，對滿足末來市場多樣化 和個性化消費對小批量多品種產(chǎn)品的需耍具有重要意義。木材是

9、天然材料， 使用范圍受自身物理力學(xué)性質(zhì)的限制。 木板、木條、單板、 刨花或纖維等木材組元與有機高分子、 無機非金屬或金屬等增強體或功能體復(fù)合 組成木基復(fù)合材料， 包括木材橡膠層積復(fù)合地板、 木材單板玻璃纖維鋁三 元復(fù)臺材料、石膏刨花板、水泥刨花板、木纖維合成纖維復(fù)禽材料、注塑型木 粉塑料復(fù)合材料（圖 2）、木質(zhì)導(dǎo)電材料和木材陶瓷等。這些木基復(fù)合材料 具有原始木刺（沁 . 。）所不具備的新的物理力學(xué)性能。當(dāng)前的研究 重點是木基復(fù)合材料的成分、 結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和行為之間的關(guān)系以及界面特性， 按照產(chǎn)品最終用途要求的性能進行材料設(shè)計和制造。研究開發(fā)木塑復(fù)合材料，如合成高分子木粉（木材纖維、木材刨花、

10、木材 單板）等復(fù)合材料的目標(biāo)是降低成本、增加柔性和可循環(huán)利用性、加工性、靈活 設(shè)計性和提高強度。 研究領(lǐng)域有： 木材高分子復(fù)合材料的阻尼特性以及相溶劑 和偶聯(lián)劑對復(fù)合材料的二次力學(xué)性能的影響； 利用超臨界流體處理技術(shù)和等離子 體處理技術(shù)提高木材塑料界面反應(yīng)性能； 應(yīng)用反向氣相色譜， 研究控制木材纖 維高分子復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本物理化學(xué)參數(shù)，利用紫外光、鉆 60 輻照源、廬射線和射線使高分子單體與木材發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)， 研究木材與其他材 料的復(fù)合制造理論和性能評價。木基復(fù)合材料研究的另一個前沿是木質(zhì)材料的功能化， 大致可分為填充、 混 雜、復(fù)合和表面覆蓋等方法， 如將導(dǎo)電性填料填充到木材中，

11、 將導(dǎo)電性短纖維與 木材纖維或木粉混雜和復(fù)合。 還可將導(dǎo)電性纖維與木纖維混雜成功能紙， 使紙張 的全部、外表面或內(nèi)部成為連續(xù)相乎面選擇性導(dǎo)電材料。將小木片鍍鎳后模壓， 可制成曲面選擇性導(dǎo)電材料，電磁波屏蔽效果可達 4070dB（以對頻率 1.5GH. 電磁波的屏蔽效能 20dB 為例，可將電磁波干擾或污染強度衰減 90），體積電 阻率可達 0.15-5.9 .cm（實體木材一般為 1081011數(shù)量級）。研究開發(fā)木質(zhì) 屏蔽功能復(fù)合材料， 在 9kHz1.5GHz的范圍內(nèi)減少室內(nèi)電磁污染， 有利于實現(xiàn)其 環(huán)境認(rèn)證（如 ISO14000）和安全認(rèn)證（如 CE標(biāo)記），增加木質(zhì)板材產(chǎn)品的附加 值，在室

12、內(nèi)裝修、辦公用家具、公共湯所等應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的前景。木材陶瓷是用木質(zhì)材料與熱固性樹脂制成的復(fù)合材料在高溫絕氧條件下燒 結(jié)而成的多孔性碳素材料， 具有新的功能。 木材陶瓷的燒結(jié)溫度和溫升速度與其 力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，木材陶瓷材料的靜曲強度達到 27MPa（木材為 29183Mpa），彈 性模量達到 7.5Gpa（ 木材 421GPa）。木材陶瓷材料隨著烷結(jié)溫度的提高，從絕 緣體過渡到導(dǎo)體，比重為 0.71.0 （木材為 0.241.13 ），可取代傳統(tǒng)的鐵氧體 電磁屏蔽材料，也可作為遠紅外發(fā)熱材料和吸收材料（波長為 4.022.0um 放射 能為黑體的 80），還可作為無潤滑滑動部件（摩搽系數(shù)為 0.

13、10.15 ，布氏硬 度可達 60MPa），并具有易加工制造，高強、優(yōu)良的摩搽和磨耗特性，以及自含 潤滑油、耐腐蝕和低密度（為鋼的 1/91/13 ）特性等。5. 木質(zhì)重組材利隨著大徑級木材的減少和木材使用性能要求的提高， 原始木材的天然特性難 以滿足需要。將木材加工成木板、木條、單板、刨花或纖維等組元，利用現(xiàn)代技 術(shù)將木材組元重組為新型木質(zhì)材料，如膠合木梁、單板層積材、定向成材、膠合 板、重組裝飾薄木、單板層積中空圓柱材、定向刨花板、刨花板和纖維板等，這 種木質(zhì)重組材料具有原始木材所不具各的幾何性能、 同一性、均勻性和曲面成形 性。木質(zhì)重組材料研究的重點是： 生產(chǎn)過程最優(yōu)化， 對定向刨花板的

14、板坯鋪裝進 行計算機模擬， 建立性能預(yù)測數(shù)學(xué)模型， 由性能成本比來決定生產(chǎn)工藝和原材 料的選用；木質(zhì)重組材料正在取代大斷面實木部件， 其主要工程性能 （如強度和 耐久性） 除了與木材組元有關(guān)外， 還與膠粘物質(zhì)的自身性質(zhì)和固化狀態(tài)有關(guān)， 應(yīng) 用碳 13CPMASNMR，可有效地揭示木材膠粘劑膠合界面的分子結(jié)構(gòu)和己固 化膠粘劑的動力學(xué)特性；建 Nonte Carlo 模型，深化對大片刨花板板坯內(nèi)部結(jié)構(gòu) 和相關(guān)性能的了解； 應(yīng)用復(fù)合材料理論預(yù)測木質(zhì)重組材料的強度和韌性； 改善木 質(zhì)重組材料的耐火性、強度和尺寸穩(wěn)定性。木結(jié)構(gòu)工程學(xué)( wood engineering )深人研究木質(zhì)材料的性質(zhì)( pro

15、perty ) 和行為( performance )之間的關(guān)系。重點研究木結(jié)構(gòu)的振動、疲勞、接合和老 化性，如木棚破壞機理及木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的強度預(yù)測； 木質(zhì)材料的天然耐久性和蠕 變性；木材的彈塑性變形與強度； 木構(gòu)件連接強度與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系； 木材機械連 接結(jié)構(gòu)性能； 木刺膠合構(gòu)件的連結(jié)方法； 鋼筋與膠合木梁連接性能； 木構(gòu)件結(jié)合 部位的耐火性能； 木結(jié)構(gòu)耐久性因素在地震條件下的行為； 鋁箔蜂窩夾芯膠合板 作為輕體絕緣天花板的性能；大型木構(gòu)件燃烷性能和承載性能。. 木質(zhì)生態(tài)環(huán)境材料學(xué)木質(zhì)生態(tài)環(huán)境材料學(xué)主耍研究木質(zhì)材料及其工程技術(shù)與自然環(huán)境間的關(guān)系。 重點研究開發(fā)：木材和木制品潔凈生產(chǎn)加工技術(shù)，降低

16、或徹底消除游離甲醛的 EO級脈醛樹脂膠木質(zhì)重組材料，開發(fā)不含游離甲醛的異氰酸醋膠和改性豆膠木 質(zhì)材料，木材防腐處理的環(huán)境協(xié)調(diào)性技術(shù)， 木材加工過程產(chǎn)生的廢水和廢液的回 收利用，木質(zhì)材料加工制造過程中產(chǎn)生的有機揮發(fā)物( VOC)的利用和處理。木材環(huán)境學(xué)特性研究引人注目。 主要研究木材新的自身特性， 如以木材的顏 色、光澤、紋理、節(jié)子等表征的視覺特性，以木材冷暖感、軟硬感、平滑感等表 征的感覺特性， 以及聽覺特性和心理學(xué)特性等； 木質(zhì)材料的建筑環(huán)境特性， 如木 質(zhì)地板材料的隔音性和緩沖性， 木質(zhì)材料對溫度和濕度的調(diào)節(jié)性， 木質(zhì)住宅居住 環(huán)境對衛(wèi)生害蟲的影響， 木質(zhì)材料在住宅、 大型建筑物和家具上的

17、適用性， 木質(zhì) 材料應(yīng)用在住宅、 家具和室外對環(huán)境的影響等； 以及大氣污染和酸性沉降物對木 材形成的影響。開展木材和木制品的壽命周期環(huán)境評價， 建立木材工業(yè) ISO4000 環(huán)境管理體 系，研究廢棄木材循環(huán)利用和開發(fā)新型生態(tài)環(huán)境材料也是當(dāng)前的研究熱點。 主要 研究利用化學(xué)熱反應(yīng)和機械作用相結(jié)合， 回收利用各種廢棄木質(zhì)材料， 制造再生 的刨花板、定向刨花板、水泥刨花板、中密度纖維板和地板等新的木質(zhì)材料。這類材料經(jīng)炭化后，可改良土壤、凈化海水、吸附油脂和吸附重金屬，還可制造木 質(zhì)藻礁。二、發(fā)展趨勢木質(zhì)材料研究的發(fā)展與社會、 經(jīng)濟和資源、 環(huán)境的發(fā)展緊密相關(guān)， 新的生長 點和交叉點不斷出現(xiàn)， 并不斷

18、向其他相關(guān)學(xué)科延伸。 這既促進了木質(zhì)材料研究自 身的發(fā)展， 又豐富了森林科學(xué)和材料科學(xué)的內(nèi)涵。 概括起來， 木質(zhì)材料研究的發(fā) 展趨勢有四個方面。是木材科學(xué)研究的范圍和對象不斷擴大。從傳統(tǒng)的木材構(gòu)造、物理、力學(xué)、化學(xué)、缺陷和材質(zhì)改進擴大到生物學(xué)、林 學(xué)和加工利用學(xué)， 研究對象擴展到竹材、 藤材及其他禾本、 草本植物和藻類植物， 木材科學(xué)正向植物材料學(xué)方向發(fā)展。二是木質(zhì)材料研究與相關(guān)學(xué)科不斷交叉、滲透，新的學(xué)科增長點不斷出現(xiàn)。木材加工學(xué)與復(fù)合材料學(xué)相結(jié)合， 向木基復(fù)合材料學(xué)和木質(zhì)重組材料學(xué)方向 發(fā)展；木材機械加工學(xué)與先進制造技術(shù)相結(jié)合， 向木制品先進制造技術(shù)學(xué)方向發(fā) 展；木材加工學(xué)與生態(tài)環(huán)境材料學(xué)

19、相結(jié)合， 向木質(zhì)生態(tài)環(huán)境材料學(xué)方向發(fā)展， 木 結(jié)構(gòu)工程學(xué)與環(huán)境學(xué)相結(jié)合， 向木結(jié)構(gòu)環(huán)境工程學(xué)方向發(fā)展； 木材化學(xué)與化學(xué)工 程學(xué)相結(jié)合，向木材化學(xué)加工學(xué)方向發(fā)展。三是木質(zhì)材料研究注重應(yīng)用先進的研究方法和分析儀器， 不斷加深對木質(zhì)材 料的認(rèn)識。計算機仿真模擬、 隧道掃描電子顯微鏡、 固態(tài)與液態(tài)核磁共振儀、 計算機圖 像分析處理技術(shù)、 氣質(zhì)聯(lián)用儀、 動態(tài)熱機械分析儀、 原子表面力分析儀和模型化合物等的應(yīng)用以及各類木質(zhì)材料數(shù)學(xué)模型的建立， 使研究木質(zhì)材料的成分、 結(jié)構(gòu)、工藝和性能的關(guān)系和研究木材化學(xué)成分與微生物、酶和其他材料的反應(yīng)成為可四是木質(zhì)材料研究不但注重其基本性質(zhì)的改進，還注重賦予其新的功能。木材的基本性質(zhì)得到很大的改進，其易腐性、易燃性、尺寸不穩(wěn)定性、各向 異性、變異性得到很大改善；木材陶瓷被賦予新的硬度、摩擦性、磨耗性以及遠 紅外線放射性和吸收性； 木質(zhì)導(dǎo)電材料被賦予新的導(dǎo)電性、 電磁屏蔽性和體積電 阻率。三、對我國木質(zhì)材料研究的建議木材是一種來自于可再生資源的傳統(tǒng)材料， 生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性最好， 卻時常被 人忽視。木材工業(yè)是非常傳統(tǒng)的工業(yè)， 但也是現(xiàn)代林業(yè)和現(xiàn)代材料工業(yè)的重耍組 成部分，擔(dān)負(fù)著向社會提供木質(zhì)材料及其制品、 為林業(yè)產(chǎn)業(yè)建設(shè)和林業(yè)可恃續(xù)發(fā) 展提供經(jīng)濟基礎(chǔ)的重任。1998年，我國政府開始逐步實施 "天然林保護工程 " 、&qu