蘆葦纖維材料的應用及發展趨勢*

王 齊 李晨琦 張雪松 王春明 潘宇峰 蘇 蕓

（黑龍江省木材科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

我國是木材嚴重短缺的國家，近年來我國加大了對生態環境保護的力度，森林面積正在不斷擴大，但可在森林消耗方面的控制及日趨嚴格的環保政策，木材資源實施天保工程禁止木材的采伐，造成木材嚴重短缺，進口木材比例升高。當前，我國人造板與木制品行業不斷提升產值產量來滿足客戶的需求[1]。如何高效利用木材資源成為木材企業首要考慮的問題，尋找木材的替代材料也是解決木材資源匱乏的有效途徑之一。目前，我國已從宏觀政策上大力支持木材企業進行非木質植物纖維復合材料的研發與生產，這將促使相關木材生產企業調整產品類型，應用新型工藝。

1 生物質材料蘆葦利用的可行性分析

蘆葦具備可再生、可降解和無污染等優點，其莖稈堅韌，纖維長、木質素含量高，有優良的耐水性、抗病性、柔韌性，使蘆葦在制造某些產品時可代替木材，在制造紙張、人造板時可以作為主要的原料。蘆葦在我國分布廣泛，目前面積1 千多萬畝，產量高，分布北從黑龍江的三江平原，南至湖南的洞庭湖畔，集中分布于東北、華北、西北地區，并處于一種無序的生產狀態，蓄積量較大。

當前，受國外低價紙漿、環保等因素影響，以蘆葦為原料的造紙廠陸續關閉，而人造板產業正在尋找木材的可替代非木質植物纖維資源，特別是在我國封山育林政策的重要階段，如何利用現有資源，讓其真正做到材盡其用，是我們追求的目標。目前，如何充分利用蘆葦資源把生態優勢轉化為生產力，是我們重要的產業拓展新方向。基于蘆葦為原料的生物質材料人造板、重組材料產業在我國具備了資源、地理優勢和產業基礎，開發利用蘆葦這一豐富生物質資源進行人造板和非木質重組成材工藝研究，具有十分廣闊的研究前景，不僅可以調整木制品企業的產業結構，提高經濟效益，還可以提高植物基復合材料產品的種類，并帶動上下游產業的蓬勃發展。

2 以蘆葦纖維材料為原料的板材主要應用及行業發展現狀

我國以蘆葦纖維為原材料的復合材料的生產中，主要是以蘆葦人造板為主，利用的是蘆葦莖稈，由于其莖稈纖維堅韌、纖維含量高達4%~60%，顏色自然，集成時可預置紋理，適合制作優質的非結構性裝飾材料以及結構性支撐材料。蘆葦在集成加工與木材集成加工工藝有很多不同之處，由于葦稈表面附著的硅質及內壁存在一定量的絮狀物，且蘆葦中含有少量糖分，使得蘆葦加工過程中膠黏劑的選擇具有特殊性，這些都是影響蘆葦材料膠合性能及復合成材力學性能的重要因素[2]。在蘆葦纖維人造板研究中往往采取對蘆葦表面硅質完全溶解脫硅的方式或以異氰酸酯[3]作為唯一的選擇。實際生產中，傳統的脫硅方法和膠合方法不僅浪費大量的水資源，還會增加有害化學品的排放，同時由于強堿液長時間的高溫作用也大大降低了蘆葦纖維原有的強度及自身的拉伸力等物理性能[3]。同時異氰酸酯膠黏劑的價格會加大制造成本，致使這一優質材料一直沒有得到充分有效的利用。

目前蘆葦人造板制造工藝有兩種：一種是蘆葦刨花板[4]。目前部分研究生產采用單純地將蘆葦材料打碎成碎料單元，分離薄壁組織，剩下纖維材料制成了刨花板。在國內以往的研究中發現，將蘆葦材料打碎的刨花尺寸越小，蘆葦刨花板的物理性能越好，才有利于碎料之間的膠合[5]；在膠合過程中發現，蘆葦碎料的膠合界面大于木材刨花的膠合界面。但植物復合材料的強度取決于盡可能不被破壞的植物纖維，當纖維被打碎成纖維長度小于10 cm 時，復合材料的抗彎強度就會大大降低，就像同規格的木材碎料復合材料和實體木材抗彎強度會大打折扣一樣。

第二種是蘆葦纖維板。王新洲[6]等人研究了蘆葦作為纖維板原料的特性。結果顯示，蘆葦的纖維率達到了87.4%，說明蘆葦是一種可代替木材來制造纖維板的原料。蘆葦纖維板是將蘆葦莖稈加工刨片后進行熱磨處理獲得蘆葦纖維，來制備蘆葦纖維板。其中長纖維含量越大，纖維板的交織性能就越好，能夠提升板材的力學強度。但是蘆葦莖稈表面存在蠟質層，這是一種硅量及脂肪類含量較高的物質，使板材潤濕性能差，從而導致板材難以膠合。通過加入硅烷偶聯劑，可以改善板材的潤濕性能；還可以將蘆葦纖維碎料進行改性處理，如蒸汽處理、水煮、等離子體處理等來改善原料與膠黏劑之間的作用，從而達到良好的膠合性能。

蘆葦表面有一層樹脂層和硅質層，常規樹脂膠對該層薄膜滲透力差，難以有效膠合，故生產工藝與木材也存在差異。目前技術工藝對蘆葦復合材料的制備限制了產品的質量，以上兩種方法對蘆葦材料表面脫硅、脫糖及絮狀葦膜的篩除處理上只是將蘆葦長纖維打碎，從而破壞了纖維強度，造成得到材料性能差、成本高、技術應用受限、施膠量大，增加了材料中有害成分的釋放。同時蘆葦材料的利用率也較低，成為阻礙蘆葦材料利用和產業發展的關鍵瓶頸。因此，以蘆葦纖維與膠黏劑之間的膠合問題可以通過一些特殊的處理方法得到解決，例如對蘆葦材料進行預處理、改變膠黏劑的配方等，通過這些方法，可以使蘆葦與低成本膠黏劑之間形成有效的膠合，進而生產出高性能的蘆葦板材。

3 蘆葦纖維材創新發展趨勢

在前期以蘆葦為基材的人造板研究基礎上，蘆葦纖維材料研究發展具有更多的可能性。在人造纖維板和刨花板的基礎上，可加入不同的纖維材料或其他復合材料制作出新型復合材料。當前，研究人員通過有效利用蘆葦天然植物纖維材質的耐腐、保溫、隔聲、耐水、韌性等性能特點，將蘆葦用作新結構人造板功能性組織材料或某一層級輔助材料，例如水泥/石膏蘆葦纖維復合材料板材、蘆葦纖維增塑熱塑性復合材料、蘆葦纖維聚氯乙烯復合材料等等。

同時可通過其完整的纖維組織加工成蘆葦纖維重組材，通過對蘆葦纖維的原料疏解及表面處理、輔助材料以酚醛樹脂膠黏劑為主，施膠量預計為8%~12%、經過熱壓成型等工藝生產技術，研究制造出具有與木質材料相似的一種新型蘆葦基重組成材的植物基環保材料。這種新加工工藝可減少對木材的依賴，工藝連續性強，自動化程度高，性價比高于傳統木質基材重組成材。現今經過30 年的對于蘆葦基等非木質植物纖維重組成材的研究方興未艾[7]，盡管重組竹與重組木為蘆葦基重組成材提供了研究方向，但尚未建立基礎理論體系和工藝技術系統。

4 結論與建議

雖然蘆葦纖維材料可以作為功能性材料基材及重組材，也是我國重要的碳固化、碳遷移的重要發展方向之一[8]。但是在現實研發與生產過程中，受到諸多材料特性的干擾和限制。我們需建立基礎理論體系、工藝技術系統及科學評價標準，同時對不同產品檢測方式重新規劃。在整個系統完善后，對于產業發展、國家林業產業政策的充分實施，環保效益及木材資源的替代有著不可估量的作用。不僅能帶來極其可觀的經濟效益，也能緩解當前優質木材短缺的現狀，使這一具有高強纖維特性優勢的天然低廉材料得到高價值利用[9]。并在生產環保、低碳、高附加值產品完全符合我國有關發展低碳經濟六方面內容中關于提高能效節約能源、優化和調整產業結構、科技創新的政策。

綜上所述，蘆葦重組材的出現完全符合我國當前的科技發展和市場需求，以非木質植物原料為基材的新型結構復合材料具有廣闊的應用和產業化前景[10]，進而為推動我國木制品行業的發展轉型提供了堅實的技術基礎，并對我國的環保事業做出巨大的貢獻。