車 寧 管婧超

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300300)

木塑復合材料是利用廢棄木材、作物秸稈等植物纖維和塑料混合，加入助劑，通過熱壓、擠出等工藝制成的一種高性能新型復合材料[1-2]。本文重點對木塑復合材料技術(shù)的國內(nèi)專利進行了檢索和分析。早在20世紀早期，用木粉和酚醛樹脂制作的木塑復合材料已經(jīng)出現(xiàn)；20世紀八九十年代，美國Woodstock公司、Trex公司分別采用聚丙烯、聚乙烯與木粉或木纖維生產(chǎn)木塑復合材料，用作汽車內(nèi)襯板、野餐桌、地板材等，此后，木塑復合材料迎來蓬勃發(fā)展的新時代[3-4]。國內(nèi)木塑復合材料研究起步較晚，2004年開始進入活躍發(fā)展階段，東北林業(yè)大學、南京林業(yè)大學等高校均開展了較為系統(tǒng)的研究。本文通過對木塑復合材料技術(shù)國內(nèi)專利進行了統(tǒng)計分析，希望給予木塑復合材料行業(yè)的發(fā)展方向起到一定的參考作用。

1 木塑復合材料專利申請態(tài)勢分析

通過對木塑復合材料領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展脈絡進行梳理，結(jié)合各數(shù)據(jù)庫文獻量和文獻分布特點，選擇中文摘要專利數(shù)據(jù)庫CNABS進行檢索，檢索選擇主要關(guān)鍵詞有木塑、塑木、復合、材料、加工，分類號有B29C43、B29C45、B29C47、C08L等，檢索日期截止至2017年6月14日。

1.1 專利申請量趨勢分析

圖1為國內(nèi)專利申請趨勢圖。可以看出，木塑復合材料最早在1989年已經(jīng)開始在中國申請，但在1989-2003年期間的申請量較?。粡?004年開始，木塑復合材料研究進入活躍期，專利申請數(shù)量大幅提高，從2004-2006年間的13件迅速增長到2013-2015年間的高峰83件。2016至今專利申請數(shù)量有所降低，這是因為部分專利的公開時間滯后，沒有被完全統(tǒng)計。

圖1 木塑復合材料國內(nèi)專利申請趨勢

圖2 國內(nèi)專利申請人類型分布

圖2是國內(nèi)專利申請人類型分布，可以看到，企業(yè)占據(jù)比例較大，其次是高校、科研院所及個人。其中，國內(nèi)研究木塑復合材料的高校或科研院所多集中在林業(yè)、理工類院校；隨著對木塑材料的需求不斷增長，家具、建筑、包裝、車輛裝飾等領(lǐng)域的企業(yè)快速成長，木塑復合材料的相關(guān)技術(shù)也在相應地豐富和發(fā)展。

1.2 主要申請人分布

圖3顯示了主要專利申請人分布情況，其中，東北林業(yè)大學、安徽北馬科技有限公司、桂林理工大學、曾廣勝、南京林業(yè)大學等為該領(lǐng)域的主要申請人?？梢钥闯觯咝?、科研院所比較注重該領(lǐng)域的研發(fā)和保護，知識產(chǎn)權(quán)保護意識較高。隨著科技的發(fā)展以及國內(nèi)市場的擴大，相信會有越來越多的公司投入到木塑復合材料的研發(fā)推廣上來。

圖3 木塑復合材料技術(shù)主要申請人分布

1.3 主要原料分析

圖4為木塑復合材料中植物纖維材料比例圖。如圖所示，木粉、秸稈粉、糠粉、竹粉、果殼粉因為來源廣泛、價格低廉，是植物纖維的主要種類，其中，木粉的使用最廣，研究最多，占比31%；秸稈粉和糠粉次之，分別占據(jù)16%和13%。其他材料主要包括淀粉、樹皮粉、草粉、咖啡渣、棉花殼、茶葉等。各種植物纖維的使用有利于降低成本和資源回收利用，除了木粉可以從家具、建筑等設施進行回收利用，應用最廣之外，新疆申請人對棉花殼、海南申請人對咖啡渣、江蘇申請人對當?shù)刂参镙恫莸幕厥绽玫?，均體現(xiàn)了因地制宜的特點。

圖4 植物纖維材料使用比例

圖5展示了木塑復合材料中熱塑性塑料材料比例情況。通過分析，使用的熱塑性塑料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯四大類，均為通用的熱塑性塑料。占比10%的其他材料主要包括聚碳酸酯、三聚氰胺樹脂、聚甲醛、聚異丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯等。這些熱塑性塑料均有各自的優(yōu)勢和弊端：聚丙烯木塑復合材料比聚乙烯木塑復合材料的彈性模量、拉伸強度、硬度更高，但是太過堅韌，較難連接固定；聚氯乙烯可以通過廢舊電纜皮等進行回收，成本較低，但添加劑過多通常被認為對環(huán)境不友好；低密度聚乙烯力學性能較差，高密度聚乙烯綜合性能更優(yōu)，是木塑復合材料中最受歡迎的塑料。聚乳酸基及淀粉基木塑復合材料由于主要組分可以被降解，屬于環(huán)境友好型復合材料，因而成為近年來的研究熱點。

圖5 熱塑性塑料材料使用比例

1.4 木塑復合材料應用領(lǐng)域分析

木塑復合材料既具有塑料的易成型性，又有木材的可降解性，被廣泛應用于各個領(lǐng)域。圖6展示了其應用情況，可以看到，建筑領(lǐng)域應用比例最高，為42%，這是因為木塑復合材料具有隔熱保溫、防腐、裝飾性強、維護較少、不易開裂的特點，比傳統(tǒng)建材更有優(yōu)勢；家具領(lǐng)域次之，22%；工業(yè)、車輛船舶、包裝領(lǐng)域比例差別不大。此外，還可應用于消防產(chǎn)品、3D打印原材料、農(nóng)業(yè)大棚架、制鞋等領(lǐng)域。

圖6 木塑復合材料應用領(lǐng)域比例

2 國內(nèi)專利技術(shù)演進

木塑復合材料最早在國內(nèi)出現(xiàn)是在1989年，龐亞民等人申請了一項專利(CN89107278)，在三片樺木片之間放置廢舊PE膜，然后進行熱壓，并對成型后復合板的膠合強度、含水率進行測試，該申請開啟了木塑復合材料領(lǐng)域在國內(nèi)的開發(fā)和研究的先例。1991年，林志德申請了一項專利(CN91107344)，利用高壓氣體的爆轟力使碎木的毛細管孔擴張，充入塑料及助劑對木材改性，提高了木材和塑料的相容性，具有比同類材料更高的比強度和比模量。

在此后到2000年期間，木塑復合材料在國內(nèi)發(fā)展緩慢，平均每年僅有不到一項專利申請，均為個人申請，熱壓成型為最主要的加工工藝，這是因為熱壓成型工藝簡單，成本較低，對原材料的形態(tài)、尺寸沒有要求，非常適合制造對性能要求不高的木塑復合制品。直到2002年，北新建材(集團)有限公司申請了一項專利(CN02104432)，利用專用接枝劑對木粉和塑料表面進行接枝處理，有效增強了木粉和塑料間的界面強度，提高了材料的拉伸、彎曲、沖擊強度，并采用連續(xù)擠出工藝，實現(xiàn)了高效的工業(yè)化生產(chǎn)。

從2004年開始，隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，人民生活水平提高，對木塑復合制品的需求逐漸增加，研究人員對木塑復合材料的興趣越來越高，該領(lǐng)域的進入活躍發(fā)展階段，專利申請數(shù)量大幅提高。2004年，華南理工大學在高校和科研院所中率先開始了木塑復合材料的研發(fā)(CN200410077610)，采用聚烯烴與多單體固相接枝共聚物作為界面相容劑，顯著改善了疏水性塑料與親水性木粉或植物纖維之間的相容性和界面結(jié)合力，使復合材料的模量、強度、尺寸穩(wěn)定性、耐水性等大幅提升。2013年該校研發(fā)了一種耐高溫、可降解木塑復合材料(CN 201310345147)，將聚乳酸、增韌劑、植物纖維和其他助劑共混造粒，然后擠出成型木塑材料，該材料環(huán)境友好且基體材料可再生，比常規(guī)聚乳酸材料的韌性和耐熱性更加優(yōu)異。2007年，南京航空航天大學研發(fā)了注塑級的木塑復合材料(CN200710020002)，通過偶聯(lián)劑、相容劑、表面活性劑的相互配合，制備了可注塑成型的木塑復合材料，其高溫流動性、加工成型性好，表面光滑，強度高。

東北林業(yè)大學是該領(lǐng)域的重要申請人，研究主要涉及木塑材料的微發(fā)泡、力學性能改善、阻燃性改善等方面。其第一個申請(CN200710072795)，通過將聚苯乙烯、發(fā)泡劑、木質(zhì)纖維材料以及其他助劑進行混合后擠出，制得了微發(fā)泡聚苯乙烯基木塑復合材料，改善了常規(guī)木塑材料的耐沖擊性差、易燃燒的問題；2016年，該校又進一步對微孔發(fā)泡木塑復合材料的制備方法進行拓展(CN201610980276，CN201611108645)，通過CO2超流體制備微孔發(fā)泡木塑復合材料，獲得的微孔木塑材料發(fā)泡倍率高，質(zhì)輕，泡孔分布均勻。在力學性能改進方面，該校于2007年采用棒狀木絲替代傳統(tǒng)的木粉與塑料進行混合擠出(CN200710072781)，利用棒狀木絲在擠出成型過程中的取向，使復合材料力學強度高、生產(chǎn)成本低；2010年，該校在原料中加入表面水解改性的芳綸纖維(CN201010248417)，大幅提升了力學強度和沖擊強度；隨后，又在原料中加入β-成核劑(CN201410035447)來增韌，加入紅衣陶土(CN201510027885)提高綜合力學性能。對于阻燃劑研發(fā)，該校先后加入了納米無機阻燃劑(CN201110215654)、可膨脹石墨阻燃劑(CN201310515793)等來提高阻燃性。

南京林業(yè)大學也是該領(lǐng)域的重要申請人之一，其研究工作主要圍繞多層木塑復合材料加工展開。2009年，該校研發(fā)了一種表面阻燃的多層木塑復合板材(CN200910024747)，表面阻燃層為兩層晶須改性塑料層，中間層由植物纖維增強塑料層構(gòu)成，具有可降解、力學性能高、阻燃性好的特點；2013年制備了改性芯-表結(jié)構(gòu)的木塑復合材料(CN201310041772)，降低了材料的熱膨脹系數(shù)，提高了彎曲性能；2015年制備了表芯同步共擠出阻燃木塑復合材料(CN201511033031)，其力學強度高，表面硬度強，且阻燃性好；此外，該校還在2011年用丙烯腈對荻草粉改性(CN201110266312)，擠出制備了具有吸附功能的荻草木塑復合板材，賦予了木塑復合材料凈化空氣的功能。

3 總結(jié)與展望

木塑復合材料符合我國“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設節(jié)約型社會”的要求，吸引了數(shù)量眾多的高等院校、科研機構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)積極投身研究，并進一步推動了木塑復合材料領(lǐng)域的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在未來，我國企業(yè)要更加注重與高校和研究機構(gòu)之間的合作，一方面繼續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，優(yōu)化木塑復合材料的加工成型技術(shù)，另一方面，通過調(diào)整和改性原料使其不斷向防火、防腐、高強度、可降解等特殊功能領(lǐng)域延伸，從而擴展木塑復合材料的應用。

[1]高黎，王正.木塑復合材料的研究、發(fā)展及展望[J].人造板通訊，2005，(2)：5-8.

[2]許民，李堅.生物質(zhì)-塑料復合工學[M].北京：科學出版社，2006.

[3]李東方.木塑復合材料概述[J].林業(yè)機械與木工設備，2013，41(7)：7-16.

[4]李靖.我國木塑復合材料產(chǎn)品市場發(fā)展動向[J].中國人造板，2014，(2)：1-3.