陳松武 劉曉玲 陳桂丹 何林韓

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530002）

隨著我國經(jīng)濟社會的持續(xù)快速發(fā)展，家居、建筑等領(lǐng)域?qū)τ谀静牡男枨罅考彼僭鲩L，木質(zhì)資源供需關(guān)系日益嚴峻[1-3]。同時，隨著“天保工程”實施，我國天然林資源已全面禁止采伐，大規(guī)格天然優(yōu)質(zhì)硬木變得十分缺乏，并極度依賴于進口[4-5]。因此，亟需尋找優(yōu)質(zhì)硬木的替代品來緩解天然林木材供需矛盾。

目前，隨著對速生材、灌木、竹材及秸稈在重組材料領(lǐng)域的不斷探索和深入研究，重組材料在工業(yè)化進程中已取得了較大進展。在眾多重組材料中，重組木因其具有天然木材的紋理及優(yōu)異的物理力學(xué)性能，被視為大規(guī)格天然優(yōu)質(zhì)硬木的理想替代品[6]。自問世以來，重組木就在工業(yè)及學(xué)術(shù)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。按照直接原料的不同，重組木可分為傳統(tǒng)重組木(小徑級材、枝椏材等劣質(zhì)材)與高性能重組木(單板)[7]。其中，高性能重組木在傳統(tǒng)重組木的制備工藝基礎(chǔ)上，總結(jié)并吸納了重組竹的成功經(jīng)驗，從原料形式進行了創(chuàng)新，其各項性能更優(yōu)，是目前主流的重組木產(chǎn)品。對高性能重組木進行開發(fā)，不僅能夠緩解我國木材供需矛盾，還能帶來可觀的經(jīng)濟效益。例如，與刨花板等傳統(tǒng)人造板生產(chǎn)線相比，高性能重組木生產(chǎn)線總體投入、生產(chǎn)能耗及膠黏劑需求量均較小[8]。在價格方面，傳統(tǒng)纖維板、刨花板和膠合板平均市場售價為1 000～2 500元/m3，利潤率為5%～8%，而重組木的平均市場售價可達8 000～12 000元/m3，利潤率為20%～50%，產(chǎn)品附加值可提升4～6倍。雖然目前高性能重組木的相關(guān)研究與工業(yè)化進程已取得了較豐厚的成果，但隨著生產(chǎn)水平及市場需求的提升，重組木的開發(fā)與生產(chǎn)也面臨許多技術(shù)性與創(chuàng)新性問題[9]。

本文將聚焦于高性能重組木，圍繞高性能重組木的發(fā)展歷程、生產(chǎn)工藝和存在問題，重點論述其在生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的技術(shù)進展。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納高性能重組木在工業(yè)化道路上所遇到的科學(xué)技術(shù)難題，并提出相應(yīng)解決方案。最后，根據(jù)重組木的性能特點，結(jié)合林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)的先進理念，提出重組木的多元化應(yīng)用新構(gòu)思，以期為我國木材自給率的提升及速生材資源高值化利用提供思路和途徑。

1 重組木發(fā)展歷程

1.1 傳統(tǒng)重組木

傳統(tǒng)重組木源自1973年澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院的學(xué)者John Douglas Coleman提出的新概念產(chǎn)品，即以小徑級材、枝椏材等劣質(zhì)材為原料，經(jīng)蒸煮軟化處理后，碾壓疏解成木束，并對其進行施膠壓制成的新型木質(zhì)產(chǎn)品。澳大利亞相關(guān)機構(gòu)及企業(yè)為此申請了重組木專利，在1986年將所研制的生產(chǎn)設(shè)備進行投產(chǎn)使用，并于1989年建成世界第一條重組木生產(chǎn)線[10]。國內(nèi)關(guān)于傳統(tǒng)重組木的研究始于1986年中國林科院與江西木工廠共同進行的馬尾松重組木試驗。值得注意的是，由于加工疏解得到的木束尺寸大小不一且形態(tài)各異，造成在重組木的制備過程中，其施膠與鋪裝厚度的均勻度難以控制，導(dǎo)致重組木產(chǎn)品具有較大的內(nèi)應(yīng)力，極易出現(xiàn)變形、跳絲、表面粗糙度大等缺陷[11]。因此，傳統(tǒng)重組木的工業(yè)化進程受到了極大的阻礙。

1.2 高性能重組木

高性能重組木是中國林科院木材工業(yè)研究所借鑒竹質(zhì)重組材料的成功案例，以疏解后的縱向連接、橫向分離的纖維化旋切單板為原料，集成超厚單板旋切、單板定向疏解、均勻化施膠、成型固化等多項關(guān)鍵技術(shù)，突破了傳統(tǒng)重組木制備的關(guān)鍵難題，其具體制備流程見圖1。隨著多年的研究與開發(fā)，高性能重組木于2014年實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)已陸續(xù)在山東、浙江、江蘇、江西、廣西等地完成生產(chǎn)線的建設(shè)。重組木相關(guān)核心關(guān)鍵技術(shù)連續(xù)2次入選國家科技重大成就展，連續(xù)3次列入國家林草局重點推廣成果100項。2020年12月被列入國家發(fā)展改革委、科技部、工業(yè)和信息化部、自然資源部等四部委組織編制的《綠色技術(shù)推廣目錄》，是我國林草行業(yè)唯一入選的綠色技術(shù)。相關(guān)研究產(chǎn)品已先后在戶外用材[12]、結(jié)構(gòu)用材[13-15]及家居用材[16]領(lǐng)域展現(xiàn)了較好的適用潛能。

圖1 高性能重組木制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of high-performance reconstituted wood

2 重組木生產(chǎn)工藝

2.1 木材材性

用于生產(chǎn)高性能重組木的常用樹種有楊樹（Populusspp.）、馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、柳樹（Salixspp.）、落葉松（Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.）、桉木（Eucalyptusspp.）、銀杏（Ginkgo bilobaL.）、低密度泡桐（Paulowniaspp.）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、荷木（Schima superba）、輻射松（Pinus radiata）、樟樹（Cinnamomum camphora(L.)Presl）等二十余種。然而，不同樹種在組織構(gòu)造方面存在顯著差別，對單板疏解的效果影響較大（圖2），進而造成了重組木性能上的差異。因此，根據(jù)產(chǎn)品需求，對不同樹種采用不同的制備工藝非常必要。此外，使用霉變后的木材往往能提升重組木性能。劉振學(xué)等[17]使用藍變后的楊木制備重組木，發(fā)現(xiàn)膠黏劑在其疏解單板中的滲透更為均勻，所制備的藍變楊木重組木也顯示出更好的物理力學(xué)強度。

2.2 密度

重組木密度范圍通常在0.6～1.2 g/cm3，作為重組木的重要理化性能指標，根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用需求對密度進行相應(yīng)調(diào)整，有利于在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本。Bao等[18]探究了密度對楊木重組材料性能的影響，結(jié)果顯示，隨著產(chǎn)品密度的提升，其物理力學(xué)性能和耐水性能均大幅度提高，且遠超相關(guān)國家標準。Wei等[19]探討了密度對由輻射松制備的重組木性能的影響。結(jié)果表明，重組木的機械性能及耐水性能均隨其密度增大而增大。當(dāng)密度較低時，重組木整體的材料壓縮率較小，部分細胞甚至未完全密實，導(dǎo)致無法完全膠合，進而影響產(chǎn)品物理力學(xué)、尺寸穩(wěn)定及耐水性能。隨著密度的提升，產(chǎn)品密實化程度隨之增加，同時大量木材細胞壁被壓潰，其產(chǎn)生的裂紋更有利于膠黏劑的滲透及膠釘?shù)男纬?，因而重組木的各項性能得到改善。

2.3 單板厚度

通常情況下，2 mm以下單板因易破碎并不需要進行疏解。由2.2可知，重組木的剛度和強度受其密度影響較大。根據(jù)復(fù)合材料的微觀強度理論，重組木的纖維狀態(tài)直接影響材料的各項性能。在相同單板密度情況下，重組木纖維含量相同，而隨著單板厚度的提升，疏解工藝對其剛度和強度的破壞越大，這對材料的整體力學(xué)性能呈負面影響。而隨之帶來的高吸水率能使單板吸收更多的樹脂，為重組木帶來更好的耐水性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著單板厚度的增加，重組木的抗彎性能和抗剪性能逐步下降，耐水性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，6 mm厚單板制備的重組木耐水性能最優(yōu)。值得注意的是，單板厚度對重組木表面紋理的影響不大[20]。

2.4 浸膠量

重組木的核心技術(shù)在于，疏解使單板形成裂紋后，需有針對性地向其裂縫與細胞結(jié)構(gòu)中滲入膠黏劑，在高溫高壓條件下，樹脂固化形成一種超強木質(zhì)復(fù)合材料。在重組木制備過程中，膠黏劑的含量（浸膠量）及滲透程度極大影響著材料的最終性能，同時浸膠量也決定著企業(yè)的生產(chǎn)成本。重組木的浸膠量通常在7%～19%，且隨著浸膠量的增大，重組木的耐水性能提升、表面粗糙度降低，其靜曲強度及抗壓強度則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在浸膠量為12%左右時出現(xiàn)拐點[21]。此外，重組木的浸膠量對其表面耐光降解性能具有一定影響。研究表明，當(dāng)浸膠量較高時，重組木在老化過程中的顏色變化、潤濕性和粗糙度變化較小[22]。

2.5 浸膠方式

膠黏劑的浸漬是重組木的關(guān)鍵工序之一，通?？煞譃槌航z與真空加壓浸膠。其中，真空加壓浸漬提供的壓力差為膠黏劑的滲透提供了動力，所制備產(chǎn)品的性能更優(yōu)。然而，真空加壓浸漬法所需設(shè)備昂貴且能耗較大，增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。在此基礎(chǔ)上，韋亞南等[23]發(fā)現(xiàn)，將單板充分疏解后，所產(chǎn)生的裂紋能起到改善膠黏劑滲透路徑的效果，此時真空-加壓浸膠法與常壓浸膠法效果相當(dāng)。通過疏解工藝及浸膠方式的合理安排，顯然有利于實現(xiàn)節(jié)約成本及產(chǎn)品高性能化的雙贏目標。

2.6 浸膠疏解單板含水率

在重組木成型前，需經(jīng)過浸膠疏解單板干燥及鋪裝工序。通常情況下，浸膠單板的終含水率由經(jīng)驗決定，一般在絕干至20%之間。含水率情況不僅影響著干燥時間，也決定了熱壓過程中的熱量傳導(dǎo)途徑，以及膠黏劑滲透的程度。隨著浸膠疏解單板含水率的提升，重組木各部位的最高溫度降低，且表面升高溫度逐漸下降。當(dāng)單板含水率為12%時，其所制備的重組木各項表面性能、耐水性能及物理性能最優(yōu)。值得注意的是，浸膠后單板的陳化時間過長會影響膠黏劑的重均分子量及預(yù)固化度[24]，對產(chǎn)品的耐水性能會產(chǎn)生較大影響。

2.7 鋪裝方向

目前，浸膠干燥后的重組木單元仍采用人工鋪裝形式。這必不可少地會造成重組木單元按照不同角度鋪裝組坯，形成不同取向的重組木，在一定程度上影響了產(chǎn)品的性能均勻度。其中，平行鋪放制備重組木時所需的成型壓力較隨機堆放的小，且時間更短。兩種鋪裝方式制備的產(chǎn)品在物理力學(xué)性能及耐水性能方面差異并不明顯，但隨機鋪放的重組木在銑槽加工時更易出現(xiàn)槽口的劈裂和通裂。

2.8 成型方式

重組木的成型工藝主要有兩類，分別是冷壓-熱固化和直接熱壓。因熱量傳遞方式及膠黏劑固化時受力與否的區(qū)別，熱壓成型法制備的重組木抗彎及抗剪性能更加優(yōu)越，而冷壓-熱固化成型法制備的重組木其耐水性能更加優(yōu)越。此外，熱壓溫度在一定程度上也影響著產(chǎn)品的性能。陳梓祥等[25]發(fā)現(xiàn)，熱壓溫度對重組木物理力學(xué)性能的影響不大，其主要影響膠黏劑的固化過程，從而對產(chǎn)品的耐水性能有著決定性作用。

3 存在問題及相關(guān)對策

隨著我國重組木研究的不斷深入，相關(guān)成果已達到國際領(lǐng)先水平。隨著產(chǎn)業(yè)化的推進，已在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但目前仍面臨著許多問題。

3.1 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝

3.1.1 單板疏解的精細化

旋切單板的疏解效果影響著產(chǎn)品各部位的密度及膠黏劑含量，直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性。然而，現(xiàn)有的疏解設(shè)備精度較差，設(shè)備配合參數(shù)體系尚未構(gòu)建，同時單板疏解效果的評價方式單一，目前加工得到的重組木單元其疏解均勻性還有待提高。為此，應(yīng)加強重組木疏解設(shè)備的精細化改良、構(gòu)建不同樹種及不同厚度單板的設(shè)備配合參數(shù)體系，同時完善單板疏解的評價標準。

3.1.2 施膠的無醛及均勻化

目前，企業(yè)制備重組木所選用的膠黏劑大多為小分子量酚醛樹脂，其成型固化后，膠層往往存在著脆性較大的現(xiàn)象。同時，所制備的產(chǎn)品存在甲醛的釋放問題，在“談醛色變”的家居市場中面臨著應(yīng)用窘境。此外，重組木的浸膠方式主要采用間歇式吊籠浸膠工藝，存在難以連續(xù)化生產(chǎn)、浸膠量難以精準控制、施膠不均勻、膠后干燥能耗高等突出問題。為此，可以嘗試植物蛋白膠黏劑、異氰酸酯等無醛膠黏劑體系的柔性化改良，構(gòu)建并揭示新型無醛膠黏劑膠合界面的動力學(xué)特性，同時引入高壓無氣噴涂等技術(shù)，重點突破疏解單板的均勻化施膠難題，研制新型無醛家居用高性能重組木。

3.1.3 結(jié)構(gòu)用材的大規(guī)格化

雖然我國重組木成果在國際上已取得較優(yōu)成績，但受限于重組木原料長度及成型模具尺寸的限制，其尺寸無法滿足大跨度、大規(guī)格結(jié)構(gòu)用材的需求。為此，應(yīng)從冷壓模具及壓機參數(shù)進行改進，并優(yōu)化疏解工藝，制備適用于大規(guī)格結(jié)構(gòu)用的重組單元。同時，重點加強對單元縱向接長、多層重組單元均衡分布連續(xù)組坯以及面密度控制等技術(shù)的研究，開發(fā)規(guī)格可控的，適用于結(jié)構(gòu)用材市場的重組木產(chǎn)品。此外，盡管重組木的各項力學(xué)性能顯著優(yōu)于天然木材，但其更易發(fā)生脆性破壞[26]，因此在用作結(jié)構(gòu)材時，其設(shè)計強度指標應(yīng)予以重視。

3.2 產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀

3.2.1 企業(yè)產(chǎn)品的模具化

高性能重組木作為我國特有的高附加值可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)品，其行業(yè)正處于高速發(fā)展階段。然而相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品鏈較單一，嚴重缺乏能抵御風(fēng)險的新技術(shù)儲備。同時，重組木生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品質(zhì)量控制及生產(chǎn)銷售管理等方面重視程度不夠。對速生材旋切單板、疏解單板及浸膠疏解單板的含水率控制、膠黏劑調(diào)配及浸膠量控制、陳化時間等生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，大多數(shù)重組木生產(chǎn)企業(yè)僅憑借經(jīng)驗決定，缺乏具體和規(guī)范的工藝控制流程，導(dǎo)致不同生產(chǎn)加工批次的產(chǎn)品質(zhì)量之間存在差異。因此，重組木企業(yè)應(yīng)該加強與相關(guān)科研院所的交流與合作，加大新產(chǎn)品研發(fā)投入力度，全面推進重組木的“產(chǎn)-學(xué)-研”一體化進程，并制定與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的操作方法與技術(shù)規(guī)程，實現(xiàn)產(chǎn)品的“規(guī)格化、模具化”。

3.2.2 標準的體系化

近年來，《重組竹地板》 《重組竹》 《戶外用重組竹材》 《竹質(zhì)工程材料術(shù)語》 《結(jié)構(gòu)用重組竹》等多項重組竹相關(guān)行業(yè)標準、國家標準相繼建立。重組木作為人工林速生材的高值化產(chǎn)品，截止目前，僅有《重組木地板》標準出臺，因而重組木產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，在家居用材、結(jié)構(gòu)用材、戶外用材等市場領(lǐng)域發(fā)展無序。隨著重組木產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷拓展，其已相繼進軍裝飾用材、集裝箱底板和水泥模板等市場。因此，相關(guān)部門、企業(yè)、研究機構(gòu)應(yīng)加快重組木產(chǎn)品標準體系構(gòu)建，推進重組木產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。

3.3 產(chǎn)品的高值化與功能化

近年來，高性能重組木發(fā)展迅速，但作為一種性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)木材的新型材料，其利用范圍較局限。相關(guān)改性研究也僅局限于玻璃纖維增強[27-29]、熱處理改性[30]、阻燃等[31]。然而，現(xiàn)有環(huán)保標準不僅要求材料在加工過程中的能耗低、碳排放量低，同時也要求對先進材料的加工技術(shù)進行探索，使材料由傳統(tǒng)型向復(fù)合型、多功能型及低碳型方向發(fā)展。針對目前高性能重組木的多功能化短缺現(xiàn)狀，筆者就高性能重組木的高性能特性進行了構(gòu)思，以期為高性能重組木的多領(lǐng)域及多功能化應(yīng)用提供思路。

3.3.1 重組木材色的定向調(diào)控

木材顏色是評價木材表面性狀和商品價值的重要指標之一。高性能重組木作為一種小材大用、劣材優(yōu)用的突破性高附加值產(chǎn)品，在保持木材天然紋理的同時，具有甚至超越優(yōu)質(zhì)硬木的各項物理力學(xué)性能。然而，重組木的原材料大多源自于人工林速生材，這使得所制備的產(chǎn)品顏色單一，無法滿足市場“紅木化”審美標準。因此，調(diào)控重組木顏色有利于提高重組木制品的外觀質(zhì)量、裝飾效果和經(jīng)濟價值。此前，北京林業(yè)大學(xué)高建民教授團隊利用金屬配位反應(yīng)、美拉德反應(yīng)及熱介質(zhì)調(diào)色等工藝先后實現(xiàn)了巨尾桉（Eucalyptus grandis×E.urophylla）、刺槐（Robinia Psoudoaacacia）的材色向大果紫檀（Pterocarpus MacarocarpusKurz）的定向調(diào)控。雖然工藝條件較傳統(tǒng)染料染色方式更為綠色環(huán)保，但這些方法無法改善速生材材質(zhì)疏松、力學(xué)強度差的缺陷。為此，可以通過嘗試將速生材的紅木化材色調(diào)控技術(shù)與重組木相結(jié)合，在疏解單板狀態(tài)甚至熱壓固化過程中實現(xiàn)高性能重組木的紅木化高效增值，如圖3所示。

圖3 重組木材色的紅木化定向調(diào)控Fig.3 Directional regulation of redwood color of recombined wood

3.3.2 高性能木質(zhì)強化玻璃

近年來，高性能重組木在工業(yè)化進程中取得了較優(yōu)越的成績，其產(chǎn)品不僅具備超強的物理力學(xué)及耐水性能，而且原材料來源廣泛，且綠色環(huán)保可再生的優(yōu)點使其在結(jié)構(gòu)用材方面具備著代替鋼筋混泥土材料的潛能。近年來，基于重組木的木結(jié)構(gòu)建筑已逐漸步入了人們的視野。值得注意的是，木結(jié)構(gòu)房屋雖然擁有木材優(yōu)良的保溫性能，但玻璃窗戶的存在，使得木結(jié)構(gòu)建筑在節(jié)能設(shè)計方面存在薄弱環(huán)節(jié)。透明木材作為一種木質(zhì)衍生材料，兼具了木材卓越的保溫性能及玻璃優(yōu)越的光學(xué)性能，在建筑節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。透明木材的制備往往選用巴爾沙木、楊木等低密度木材，使得聚合物更易在其中滲透，但其厚度往往較薄[32-33]，導(dǎo)致適用范圍有限，在工業(yè)化道路上面臨挑戰(zhàn)。高性能重組木的核心技術(shù)為單板的精細化定向疏解，同時成型固化階段的高溫高壓使得細胞破裂，這最大程度上加強了膠黏劑的滲透效果，其產(chǎn)品最終孔隙率可降低至2.11%[34]。脫木素處理后的木材，其材質(zhì)更加疏松[35]，這對提升疏解效果具有促進作用。因此，可以嘗試將大規(guī)格且力學(xué)性能良好的重組木與透明木材理念相結(jié)合，選用脫木素疏解單板為基本單元，通過優(yōu)化脫木素時間、浸膠方式、浸膠量、成型壓力及產(chǎn)品厚度等工藝參數(shù)，探索環(huán)氧樹脂等接近木材綜纖維素折射率的膠黏劑與基本單元的界面適配性，創(chuàng)制“高性能木質(zhì)強化玻璃”，為木結(jié)構(gòu)建筑的綠色環(huán)保“整屋木化”提供新思路。

4 結(jié)語

高性能重組木作為一種以劣質(zhì)材為原料制備的超強木材，是“小材大用、劣材優(yōu)用”理論的工業(yè)化體現(xiàn)，為我國速生材資源的高值化利用提供了解決思路和途徑，對于緩減森林資源消耗，減少我國對國外硬闊葉材的依存度，減少化學(xué)處理藥劑的使用，保護生態(tài)環(huán)境，增加林農(nóng)收入，促進我國生態(tài)文明建設(shè)和建設(shè)美麗中國等具有十分重要的意義。目前，我國重組木正面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，但在政府部門、相關(guān)科研院所及企業(yè)的不斷努力下，我國重組木產(chǎn)業(yè)必將取得更廣闊的發(fā)展。