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生物质材料塑性加工设想

发布: 2011-4-13 11:21 |  作者: 王清文 |   查看: 774次

3|zv#^%_G|{*pZ0木材、竹材、秸秆等生物质材料主要由纤维素、半纤维素和木质素3种天然高分子化合物组成。纤维素线性大分子结构的高度对称性和大量羟基的存在,使得纤维素物质形成大量氢键,具有较高的结晶度,从而构成生物质纤维的骨架。其中起粘结和强固作用的无定形半纤维素和三维网状结构的木质素,与纤维素一道形成了生物质纤维特有的微观结构和管状截面细胞结构形态,使生物质成为一类强重比较高的材料。特有的化学组成和结构,使得生物质材料具有相当的韧性,在通常条件下既不被普通溶剂所溶解,也不能被高温所熔化。这就形成了自古以来仍在采用的锯解、刨切等以损失部分原材料为代价的加工方式,导致其出材率低,尤其对于小径木原料和最终尺寸较小的工件,加工所造成的资源浪费极其严重。与塑料、金属等塑性材料的塑性加工相比,实木和竹材的一次有效利用率实在太低(一般难以达到50%),而前者的有效利用率几乎为100%。
8x*r?,D'pr hIO t0  木材、竹材等生物质材料是一类粘弹性材料,在某些条件下具有一定塑性,例如在弯曲木的加工过程中,利用水热作用使木材胚料软化,然后利用外力使胚料变形,再通过干燥使变形固定而得到弯曲的木制品。木材弯曲过程中,其分子结构基本没有发生大的改变,虽然在提高原料利用率上有一定作用,但远未达到塑性加工的程度。对于以化学方法大幅度改变木材结构,将其转化为液体产物(木材液化),或者具有高度塑性的固体物质(木材塑化),从而实现向热固性塑料或热塑性塑料一样进行加工,虽然从技术上可行,但是成本很高,同时,木材分子结构的巨大改变也造成了木材固有优良属性的丧失。木材液化的方法,主要采用在酸性催化剂存在下以酚类或多元醇类溶剂高温处理木粉,生成含有较多酚类化合物的木材降解产物,用于替代部分用苯酚制备的木材胶粘剂,近年来这方面的研究论文或综述文献频频出现。木材塑化的方法主要是将木材组分大分子上的羟基通过酯化或醚化转化掉,破坏木材内部的氢键尤其是纤维素的氢键,进而破坏纤维素的结晶结构,从而大幅度提高木材的塑性。可见,从生产和经济的角度看,上述提高木材等生物质材料塑性的方法,欲实现大规模应用,应该还有很长的路需要走。
0d-@v;m e[B:I1C Qmx0  能否在基本保持生物质材料优良性能的前提下,以相对较低的成本和较高的利用率,将生物质材料像塑料那样进行加工?本文提出生物质材料塑性加工的初步设想,希望能够与对此感兴趣的同仁进行交流。
7K,FJRd3Q7B4y"l0     生物质材料塑性加工的可行性北京龙木天成木塑技术推广中心 .S(h!mu |a/u
  作为天然有机高分子材料,生物质材料是一种粘弹性材料,采取有利于表现材料粘性的加工方式有可能突出该类材料的塑性,为塑性加工创造条件。粘弹性高分子材料的性质不仅与其组成和分子结构有关,而且与分子的运动状态密切相关,后者的著名例子就是高分子材料的时温等效原理,即研究高分子运动的宏观表现(如考查应力松弛作用),或通过宏观现象研究高分子的运动,采用高温短时间或者低温长时间的观测其效果是等价的。那么,如果采用有利于生物材料应力松弛的加工方式(如适当的高温增塑成型),虽然不能达到热塑性塑料熔体的流动效果,但是能在较大程度上引起生物质材料的塑性变形,就有可能建立类似于塑料或金属的塑性加工方法。北京龙木天成木塑技术推广中心 +l8aH,VR6n@
  借鉴转化羟基的化学改性方法,以破坏生物质材料中固有氢键体系为切入点,有可能破坏生物质材料原有的结晶结构,建立新的结晶或非结晶结构,在一定程度上实现对其粘弹性的控制,从而实现塑性加工。北京龙木天成木塑技术推广中心 ,|*bLkvK jaTK
  此外,也是从改变高分子的运动状态考虑,强力而慢速的挤压作用有可能迫使生物质材料因应力松弛而发生永久变形,但是基本不破坏大分子结构。因而,综合运用上述原理,就有可能找到科学的生物质材料塑性加工方法。
GCA gfN0    实现生物质材料塑性加工的可能途径
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  实现生物质材料塑性加工将是一个渐进的过程。以类似塑料加工的方式加工木材从而大幅度提高木材的利用率,是木材科学工作者长期以来的梦想,扩展到生物质材料领域自然也不例外。生物质材料毕竟是一类塑性很差的天然高分子材料.其主要成分中的纤维素具有典型的线性分子结构并含有大量羟基,形成的总氢键作用极强,表现为既无可将其溶解的溶剂,高温下也不能熔融而只能热分解;木质素虽然是无定型高分子物质,但交联度较高,不能熔融。木材等生物质材料的结构和性能决定了不能以热塑性塑料的加工方式直接进行加工,通过分子结构修饰、与热塑性材料共混等方法提高其塑性,赋予其一定的流动性,从而逐步实现塑性加工。但需要解决的化学、物理、机械等方面的难题很多,不可能在短期内一下子解决,解决问题的过程很可能是从简单具体到复杂综合,逐渐逼近目标。北京龙木天成木塑技术推广中心 HNeD2^0X{fX
    1.进行生物质材料塑性加工至少需要解决如下几个关键问题:
&ZI*h%e5U$N(yX&bM0    (1)破坏纤维素的结晶结构以赋予其塑性,建立无定型结构或者成型后建立新的结晶结构;
ek K)Va4}wFi0    (2)适度破坏木质素的交联结构或增加链段的柔性,大幅度提高其塑性;
)a[ woo;b ii0    (3)弄清楚半纤维素对于生物质材料刚性的作用,以及三种主要高分子物质的相互作用对于材料塑性的意义;北京龙木天成木塑技术推广中心 3|^[&V%L/f(l Q(?){
    (4)生物质材料塑性加工过程中,如何避免或降低因高温、剪切等作用所造成的降解。
xJ;cBH"j8\.`L0    2.生物质材料塑性加工的可能途径北京龙木天成木塑技术推广中心 j WT:p4G%],a}
  根据现有的科技积累,实现生物质材料塑性加工可考虑探索以下途径:北京龙木天成木塑技术推广中心 4q'rG#i_C4Xp^
    (1)高温与专用增塑剂并用北京龙木天成木塑技术推广中心 5zZ PU/H i0h
  高温是加速高分子运动以提高物料流动性的基本手段。同时,高温加工也往往有利于促进高分子材料与助剂的相互作用。增塑剂对于提高生物质材料的塑性至关重要,可考虑从天然多糖及其衍生物、树皮抽提物中筛选可能的环境友好增塑剂。温度对于增塑剂的作用效果是有影响的,因而高温与适当的增塑剂并用可能会存在协同效应。北京龙木天成木塑技术推广中心 'cf$^j%C
    (2)开发生物质材料塑性加工的专用机械与设备
|(c+K#zpB2j0  除了高温,较大机械作用力也是促进材料变形的重要因素,应该是生物质材料塑性加工的重要条件。生物质材料的流变性质与热塑性塑料和其它填料有很大的不同,即使对于并非典型的塑性加工,而只是研究生物质材料与塑料复合体系(生物质材料基本被视为刚性填料)的塑性加工问题,也应充分注意生物质材料对于现有高分子材料加工设备的适应性。因此,专用的加工设备是生物质材料塑性加工研究与开发的重要内容。北京龙木天成木塑技术推广中心 8_1?;VU8CS m*?x:p R-c
    (3)生物质原材料的基因技术材质改良北京龙木天成木塑技术推广中心 t;z2NO;~
    以降解为主要特征的生物质材料改性或许是塑性加工可以借鉴的方法,但是这类改性方法往往对材料力学和环境学性能的损害较大。有报道表明,某些通过基因技术改性树种的木材,其木质素的含量远远高于同种未改良树种的木材,而木质素的分子量和交联度均较低,因而这类木材的塑性明显提高,可以通过模压方法成型。可见,通过植物基因改良可以提高原材料的塑性,可能是生物质材料塑性加工有希望的发展途径之一。北京龙木天成木塑技术推广中心 z%h.I Yrh$g
    结语
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    生物质材料塑性加工就是指通过综合运用机械、物理、化学、生物等方法赋予粘弹性生物质材料以更高的塑性,使其在塑性较突出的条件下以类似于塑料加工的方法进行成型加工,获得近乎定量的原料利用率,实现生物质材料资源的高效利用。
WmUjo)|MA0    或许目前讨论生物质材料的塑性加工为时尚早,甚至“物质材料塑性加工”概念本身就存在谬误。然而,从这一概念出发,似乎能够窥见其极为诱人而广阔的应用前景。比如,对于目前发展迅猛的生物质-热塑性聚合物复合材料(或简称为木塑复合材料,WPC)技术,如果较好地解决了生物质材料的塑性加工或塑化难题,就完全有可能大幅度提高生物质纤维材料的添加量,显著降低生产成本和提高产品的木质感等重要性能,从而使WPC成为生物质材料利用的一条重要途径。
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