木質(zhì)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)VIP

1、木質(zhì)材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)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(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜而協(xié)凋的生物化學(xué)過(guò)程，通過(guò)光能利用二氧化碳、水分和礦物等使自身發(fā)育成一個(gè)粗大的有機(jī)體，木材就是樹木營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(guò)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(jìn)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(gè)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、重組裝飾薄木等木質(zhì)重組材料，以及石膏刨花板、水泥刨花

2、板、木塑復(fù)合材料、木材金屬?gòu)?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(huì)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(qiáng)度-重量比高和加工能耗小等加工利用特性，將為社會(huì)的可恃續(xù)發(fā)展做出顯著貢獻(xiàn)。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(dú)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(zhǎng)期努力解決的主要問(wèn)題。近年來(lái)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(shí)和改良木材的基本特性。

3、、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(jì)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(jìn)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。1.木材學(xué)木材學(xué)主要是用生物學(xué)理論研究樹木生長(zhǎng)的技術(shù)問(wèn)題，重點(diǎn)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(diǎn)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、初植密度、施肥、間伐、修枝等樹木生長(zhǎng)改良條件對(duì)木材性質(zhì)和質(zhì)量的影響；研究木材生長(zhǎng)應(yīng)力的形成和釋放；以

4、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(bǔ)充，因此，必須運(yùn)用先進(jìn)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(diǎn)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(duì)動(dòng)物的生理作用和藥理作用，對(duì)無(wú)機(jī)礦物材料的促凝和緩凝作用，可

5、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(dòng)機(jī)理；用輥壓水壓和熱定型技術(shù)，對(duì)軟質(zhì)木材進(jìn)行硬化定型處理；用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)木材分等級(jí)、檢測(cè)木材表面質(zhì)量和缺陷；開發(fā)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，提高變異性較大的木材的使用安全性；用X射線成像方法檢測(cè)木材蟲害程度和防蟲效果；用動(dòng)力學(xué)方法檢測(cè)木材的彈性力學(xué)性質(zhì)；用紅外線檢測(cè)方法監(jiān)測(cè)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)處理方法研究特別注重安全性和經(jīng)濟(jì)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(diǎn)研究的領(lǐng)域有：無(wú)毒抗流失硼制劑的固著性，開發(fā)快速透

6、人型低有機(jī)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(hù)技術(shù)，研究木材共生菌對(duì)木腐菌的抑制作用；木質(zhì)防火材料從難燃擴(kuò)大到準(zhǔn)不燃。木材化學(xué)利用技術(shù)擴(kuò)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(diǎn)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(jìn)行堿抽提和酸中和后，可以制取木素碳纖維（圖1）；用強(qiáng)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

7、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(diǎn)。3. 木制品先進(jìn)制造技術(shù)木制品先進(jìn)制造技術(shù)在傳統(tǒng)的木材機(jī)械加工學(xué)基礎(chǔ)上，不斷吸收機(jī)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(kuò)大到木制品產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、檢測(cè)、管理和服務(wù)等全過(guò)程，廣泛采用機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)數(shù)控加工中心、敏捷制造技術(shù)、柔性生產(chǎn)技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)。以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，對(duì)木制品的設(shè)計(jì)、加工、裝配等全過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一建模。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)、并行地模擬出產(chǎn)品末來(lái)的制造全過(guò)程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)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、

8、更經(jīng)濟(jì)、柔性靈活地組織生產(chǎn)，使工廠和車間的設(shè)計(jì)與布局更合理、更有效，以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高化。采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和邏輯過(guò)程控制技術(shù)的木制品柔性生產(chǎn)技術(shù)，60min內(nèi)可改變?cè)O(shè)計(jì)樣式，6天內(nèi)可推出新產(chǎn)品，對(duì)滿足末來(lái)市場(chǎng)多樣化和個(gè)性化消費(fèi)對(duì)小批量多品種產(chǎn)品的需耍具有重要意義。4. 木基復(fù)合材料學(xué)木板、 木條、 單板、木材是天然材料，使用范圍受自身物理力學(xué)性質(zhì)的限制。刨花或纖維等木材組元與有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等增強(qiáng)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(tái)材料、石膏刨花板、水泥刨花板、木纖維合

9、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g1.Wood）所不具備的新的物理力學(xué)性能。當(dāng)前的研究重點(diǎn)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(jìn)行材料設(shè)計(jì)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、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(jì)性和提高強(qiáng)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(duì)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

10、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y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(píng)價(jià)。木基復(fù)合材料研究的另一個(gè)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，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(dá)4070dB（以對(duì)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(qiáng)度衰減90

11、%）,體積電阻率可達(dá)0.15-5.9Q.cm（實(shí)體木材一般為1081011數(shù)量級(jí)）。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(shí)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(qiáng)度達(dá)到27MPa（木材為29183Mpa,彈性模量達(dá)到7.5Gpa（木材421GPa。木材陶瓷材料隨著燒結(jié)溫度的提高，從

12、絕緣體過(guò)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(yuǎn)紅外發(fā)熱材料和吸收材料（波長(zhǎng)為4.022.0um放射能為黑體的80），還可作為無(wú)潤(rùn)滑滑動(dòng)部件（摩搽系數(shù)為0.10.15，布氏硬度可達(dá)60MPa,并具有易加工制造，高強(qiáng)、優(yōu)良的摩搽和磨耗特性，以及自含潤(rùn)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(jí)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、

13、單板層積中空?qǐng)A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(diǎn)是：生產(chǎn)過(guò)程最優(yōu)化，對(duì)定向刨花板的板坯鋪裝進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，建立性能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，由性能成本比來(lái)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(shí)木部件，其主要工程性能（如強(qiáng)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13CFYMASNMR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(dòng)力學(xué)特性；建NonteCarlo模型，深化對(duì)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(cè)木質(zhì)重組材

14、料的強(qiáng)度和韌性；改善木質(zhì)重組材料的耐火性、強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。6. 木結(jié)構(gòu)工程學(xué)木結(jié)構(gòu)工程學(xué)(woodengineering)深人研究木質(zhì)材料的性質(zhì)(property)和行為(performance)之間的關(guān)系。重點(diǎn)研究木結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、疲勞、接合和老化性，如木棚破壞機(jī)理及木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度預(yù)測(cè)；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(qiáng)度；木構(gòu)件連接強(qiáng)度與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；木材機(jī)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。7.木質(zhì)生態(tài)環(huán)境材

15、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(diǎn)研究開發(fā)：木材和木制品潔凈生產(chǎn)加工技術(shù)，降低或徹底消除游離甲醛的EO級(jí)脈醛樹脂膠木質(zhì)重組材料，開發(fā)不含游離甲醛的異氟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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)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(jué)特性，以木材冷暖感、軟硬感、平滑感等表征的感覺(jué)特性，以及聽覺(jué)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(duì)溫度和濕度

16、的調(diào)節(jié)性，木質(zhì)住宅居住環(huán)境對(duì)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適用性，木質(zhì)材料應(yīng)用在住宅、家具和室外對(duì)環(huán)境的影響等；以及大氣污染和酸性沉降物對(duì)木材形成的影響。開展木材和木制品的壽命周期環(huán)境評(píng)價(jià)，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(diǎn)。主要研究利用化學(xué)熱反應(yīng)和機(jī)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(shì)木質(zhì)材料研究的發(fā)展與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和資源、環(huán)境的發(fā)展緊密

17、相關(guān)，新的生長(zhǎng)點(diǎn)和交叉點(diǎn)不斷出現(xiàn)，并不斷向其他相關(guān)學(xué)科延伸。這既促進(jìn)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(lái)，木質(zhì)材料研究的發(fā)展趨勢(shì)有四個(gè)方面。-是木材科學(xué)研究的范圍和對(duì)象不斷擴(kuò)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(jìn)擴(kuò)大到生物學(xué)、林學(xué)和加工利用學(xué)，研究對(duì)象擴(kuò)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(zhǎng)點(diǎn)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(jī)械加工學(xué)與先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，向木制品先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)方向發(fā)展；木材加工學(xué)與生

18、態(tài)環(huán)境材料學(xué)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(jìn)的研究方法和分析儀器，不斷加深對(duì)木質(zhì)材料的認(rèn)識(shí)。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖像分析處理技術(shù)、氣質(zhì)聯(lián)用儀、動(dòng)態(tài)熱機(jī)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(jìn)，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(jìn)，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(yuǎn)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(duì)我國(guó)木質(zhì)材料研究的建議木材是一種來(lái)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(shí)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(huì)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(jì)基礎(chǔ)的重任。1998年，我國(guó)政府開始逐步實(shí)施"天然林保護(hù)工程"