您的位置:首页

详情

充分发挥竹藤材料优势 促进竹产业技术升级——“十二五”国家科技支撑计划项目

2015-10-21

开发绿色环保、可再生、可持续利用的生物基新材料是我国经济社会发展的必然趋势。“十二五”国家科技支撑计划“功能性竹(藤)基新材料制造技术研究”项目旨在解决竹藤产业发展面临的技术难点问题,从竹藤材料的基本结构和理化性能研究入手,有针对性地进行竹藤材料、构件的合理设计与增强改性,发掘竹藤材料高强高韧的性能优势,解决竹藤材料耐候耐久性差等问题;开发高强高韧强耐久的竹基新材料及其构件,替代木材、钢材、玻璃钢,应用于建筑结构、船舶等领域;集成其他生物质材料的能源转化利用技术,建立竹材生物质能源高效转化技术,为竹材及其加工剩余物的能源工业化利用提供技术支撑和应用示范。

该项目由国家林业局组织实施,下设1个课题,课题承担单位为国际竹藤中心,协作单位为安徽农业大学、中国林科院木材工业研究所、华中农业大学和福建农林大学等5家单位。主要完成人有费本华、江泽慧、余雁、孙正军、覃道春、刘杏娥、刘志佳、李志强、汪佑宏、吕文华、熊汉国和陈礼辉等。项目起止时间为2012年10月至2014年10月。经过两年的努力,项目在耐候阻燃竹基复合材料制造、船舶用胶合竹层板中试生产、竹质生物质能源制备和棕榈藤材的断裂特性及增强等技术上取得突破,建成胶合竹层板、耐候防霉型竹塑复合材料和竹材固体颗粒燃料中试生产线3条。项目发表科技论文45篇(SCI/EI 收录27篇),起草相关技术标准5项(已颁布实施1项),培养技术骨干和研究生17人。

一、创新性成果

1.植物纤维高分子复合材料界面性能评价技术取得新进展

植物纤维增强高分子复合材料是材料科学研究的热点领域,但是,受制于其内在较弱结合界面的影响,应用潜力并没有得到充分发挥。纤维拔出测试法(Pull out method)是表征纤维与基体间界面性能常用的技术,但是受制于植物纤维尺寸小的特点而难以实施,其示意图如图1。

项目成功开发了一种可以直接定量评价纤维增强聚合物复合材料界面剪切强度的新方法。项目改进了自主研发的微拉伸设备,如图2,利用“单根纤维拔出”的测试理念,首次实现了单根竹纤维、竹纤维束与热塑性聚合物之间界面剪切强度的定量测定。此外,该技术还被成功用于碳纤维增强环氧树脂复合材料界面性能的快速评价。研究表明,该技术特别适合于快速筛选纤维与基体高分子之间界面改性药剂和工艺,可提高工作效率,相关研究成果已分别在国际著名期刊HolzforschungPolymer Testing上发表。

2.高耐候竹增强高分子复合材料制造技术

项目成功制备出一种高耐候型竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料。采用钛酸酯表面改性的竹粉与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物表面改性的纳米二氧化钛,在高效多酚抗氧化剂作为复合添加剂下成功制备出高耐候型竹粉/HDPE复合材料,并与湖北爱茵木塑制品有限公司进行了产学研合作,将耐候型竹塑制备技术推广到该公司并进行中试。

采用自主研发的发泡剂成功制备竹粉/聚丙烯(PP)与竹粉/聚乙烯(PE)发泡复合材料。研究发现自然老化与氙灯加速老化对竹塑复合材料的各项性能影响显著,包括力学性能下降、表面褪色及开裂等不利因素,揭示了老化过程中光氧化与光降解反应是引起上述变化的关键机理。针对竹粉/PP复合材料筛选出较优的抗氧化剂体系,可以在不显著影响材料基本物理力学性能的前提下,显著改善复合材料的耐热氧老化性能,其氧化诱导时间(OIT)值较对照样提高15 倍以上。同时添加抗氧化剂和纳米二氧化钛到竹粉/HDPE复合材料中,显著提高了复合材料的OIT及抗菌防霉性。同时,经历自然老化后,其力学性能、颜色变化、表面开裂显现均得到改善。

3.竹集成材综合防护技术

项目开发出一套完整、可操作性强的竹集成材综合防护处理工艺,将前处理防腐和后处理防霉结合起来,采用两步法生产出高强度、高耐腐性、防霉防变色的室外用竹集成材,竹材集成材处理前后力学性质、胶合强度和耐老化性差异不显著,处理材的耐腐性达到强耐腐(I级),防霉防变色性能最高达到100%,药剂固着性达到88.7%。该技术已完成中试,产品可以用于竹木结构房屋、桥梁、园林景观等建筑的基础和墙体等。目前已经与企业合作,在江苏等地的竹木结构房屋上开展了初步的应用示范。

4.竹集成材阻燃处理技术

采用环保型的药剂复配成阻燃抑烟的竹材高效阻燃剂新配方,对竹材进行处理并制作成阻燃竹集成材,材料阻燃性能大幅度提高,并兼具防腐性能。阻燃竹集成材第二释热峰下降了57%左右,出现时间延后235s,热释放总量降低41%;发烟总量比未处理材降低了89%,抑烟效果非常显著;阻燃竹集成材的成炭率比未处理材提高12%;且对其力学强度、尺寸稳定性和表面性能影响较小。阻燃竹集成材综合阻燃性能达到难燃性B1级,可应用于竹木结构房屋内部基础、梁柱、门窗、内墙等。

5.船舶用高韧性竹木复合材料设计、制造和评价

项目深入开展了船舶用高韧性竹木复合材料的设计、制造和评价以及弯扭曲面的船壳、骨架、甲板部件的设计、制造及连接技术等方面的研究。制备出满足小型船舶使用要求的高韧性竹层板以及竹木复合材料。开发制造船舶龙骨的胶合竹层板和用于船桁条的竹桁条两种新材料,并以竹木复合板作为实肋板。上述材料均满足船舶使用的要求。采用胶合层钉连接技术,实现各主体单元的快速定位。

船舶龙骨用材要求其抗冲击吸收热量值为6.1J/(Kg/m2),对制备的胶合竹层板进行冲击韧性试验,结果表明,胶合竹层板抗冲击吸收能量为7.44 J/(Kg/m2),满足设计要求。船舶用船桁条要求其拉伸强度值为150 Mpa,模量为18 Gpa,竹桁条的拉伸强度值为160 Mpa,模量为20.3Gpa,均满足指标要求。

6.棕榈藤材的断裂特性及增强技术研究

项目以钩叶藤材为研究对象,确定了棕榈藤材断裂韧性测试方法,研发了一套藤材增强改性液配方及处理工艺。利用此工艺处理藤材,可使藤材的密度、尺寸稳定性、强度等性能显著提高,同时仅使藤材本身的韧性略有降低。

7. 竹材生物乙醇及木质素利用取得新进展

项目经过预处理、酶水解和发酵等过程,成功以竹子为原料制备出生物乙醇。针对竹子难于预处理的特点,开发出一种纤维素的处理方法,可大幅提高酶水解效率,使葡萄糖收率达98%以上。利用竹子中不能转化为乙醇的木质素制备出木质素发泡材料,达到了整竹利用的目的。

竹经生物乙醇炼制后的剩余物的主要成分以木质素为主,仍含有部分纤维素和半纤维素残留。将竹剩余物经过“亚硫酸盐-苯酚”的两步活化方法,取代部分苯酚制备酚醛树脂,成功得到了不同取代比例的两种胶粘剂配方BLPF2/8和BLPF3/7。两种胶粘剂均能达到室外用I类胶合板强度的国家标准和E0级甲醛释放量标准,属于高性能环保型胶粘剂产品。

8. 竹材生物质固体颗粒燃料制备技术研究

项目以竹材加工剩余物为原料,通过分析竹材原料特性开发出竹材独特的压缩成型技术,评价竹材固体燃料的能源特性。开发出的竹材颗粒燃料新产品能满足美国颗粒燃料协会和德国国家标准的要求,它将可能成为一种新的生物质固体燃料,在我国具有很大的研究和商业化开发潜力。项目在位于安徽省黄山市的国家竹藤工程技术研究中心建成竹材生物质固体颗粒燃料中试试验示范线1条,年生产能力为1000吨。中试产品竹材固体颗粒燃料如图3所示:

9. 胶合竹层板中试生产线初步建成

胶合竹层板是制造竹质工程材料重要的基础材料,类似于工程木材以木层板为原料。胶合竹层板制造原理为竹片端头错缝平接,同时完成宽度方向的拼板,如下图4所示。

研制成功的胶合木层板生产线包括竹片加工、浸胶、干燥、前台错缝组坯、双向加压、高温固化、截断、砂光、模量分级(E-rate)等设备。其生产效率高,单台设备单班(3人)生产量可达到1立方米以上。

胶合竹层板的长度连续,宽度可达到与木层板相同的90280 毫米,厚度为20 毫米。胶合竹层板可采用机械分级(MSR)或模量分级(E-rate)方法确定其级别。胶合竹层板的强度可高于最高级别木层板的23倍。胶合竹层板为设计和制造竹制工程材料(如竹质船舶)提供了合格的基础原料。

二、成果推广应用前景

该项目以解决竹藤材料加工利用中的热点、难点问题,充分发挥竹藤材料绿色环保、可再生、可循环利用等优良特性为宗旨,开发高强、高韧、高耐久、高附加值的功能性竹(藤)基新材料的关键技术,显著提升竹藤产品品质,拓宽其应用领域,增加产品附加值。项目研究成果将对经济社会发展或行业技术进步起到支撑作用。木塑复合材料项目被列入20012007年 “国家高技术产业化新材料专项”目录、《国民经济“十一五”规划纲要》和《“十一五”资源综合利用指导意见》中。通过该项目的实施,可加快木塑产业的技术进步和升级,实现竹材的转化增值,提高农业综合效益,带动竹农致富,而且可缓解木材资源紧张,加强废弃塑料综合利用,减少塑料白色污染。 

耐候型竹粉/PP复合材料制造技术可以显著提高材料的耐老化性能,延长使用寿命,减少材料的后期维护成本,拓宽材料的应用领域。项目与湖北爱茵木塑制品有限公司进行了产学研合作,将耐候型竹塑制备技术推广到该公司并进行中试。此外,项目引入的竹塑发泡技术,在尽量不降低材料性能的基础上,降低复合材料的密度15%20%,提高材料的比强度,不仅可以降低材料的物流成本,而且可以降低原料成本等。所开发的竹塑复合材料不仅可应用于室内装饰、家具、地板、汽车内饰件多个领域,由于该复合材料具有优良的耐候性能,在户外领域同样具有重要的应用前景。所开发的发泡技术可应用于木塑发泡复合材料工业化生产。项目开发的植物纤维热塑高分子复合材料的界面载荷传递效率定量表征技术,可以应用于纤维或塑料基体表面改性剂、改性工艺的快速筛选和优化。

我国每年小型船舶(300吨以下)产量达数十万艘,目前造船材料主要有钢材、玻璃钢和木材。竹材的断裂韧性高于多数的工程材料,新型竹木复合材料不仅适合制造船壳材料,还适合制造船舶的骨架和肋板,两者相结合,可提高船舶的刚度和强度。同时,可降低成本,延长船舶的寿命。船舶属于高附加值的工业产品,如果高韧性的竹材引入造船行业,可以扩大竹材的应用领域,显著提高产品的附加值。

“高强度高耐久性竹集成材防护处理技术”和环保型防腐剂在北京盛华林木材保护科技有限公司和苏州菲特威尔木结构房屋有限公司得到推广应用,取得直接经济效益10余万元,带动了防腐行业技术进步,具有广泛的应用前景。苏州菲特威尔木结构房屋有限公司在不增加额外工序和设施的情况下,生产具有防腐防霉功能的环保型竹木结构材产品。产品在该公司开发的木竹结构房屋中得到大量应用,部分材料还出口海外。至目前为止,已生产近1000立方米处理材,建设竹木结构房屋16000平方米,创造了良好的经济效益。

棕榈藤材增强技术研究旨在解决藤材的脆裂问题,使其保持良好的韧性,将非商业用藤材转变为商业用藤材,减少对国外藤材的依赖性,降低成本,既节约藤材资源,又可以使资源得到高效利用,同时,通过藤材断裂韧性及其破坏特性研究,可极大地丰富和推动藤材力学领域的科学研究。

项目率先开展竹材生物质颗粒燃料制备技术和竹材生物碳燃料低温碳化技术的研究,所制备的竹材生物质颗粒燃料的性能满足美国颗粒燃料协会标准《民用/商用生物质颗粒燃料》和德国标准《木质颗粒燃料》的要求,竹材生物质颗粒燃料的燃烧性能与木材相当,但明显优于农业剩余物稻草颗粒燃料的燃烧性能。研究表明,竹材生物质颗粒燃料是我国具有商业化开发潜力的生物质固体能源。

经过两年的研究,项目成果不断地凝练与完善,人才队伍、技术体系和标准规范等建设卓有成效,极大地推动了我国高性能、高附加值的竹藤新材料及其产品的研发,拓宽了竹藤材的应用领域,促进了竹产业转型和产业链延伸。但由于项目执行期限的限制,很多发现无法深入展开研究,很多成果尚未全面地总结整理,后续将不断充实完善,为突破竹藤产业发展瓶颈和能源结构调整提供技术咨询和应对策略。