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生物质基复合材料制造技术体系产业发展现状及展望

   日期:2019-08-02     来源:中国工程科技知识中心    作者:王正    浏览:111    评论:0    
核心提示:生物质基复合材料制造技术”是在传统的“木材加工”技术的基础上,通过引进先进的复合材料制造技术,并不断地发展创新而逐步形成的一个新的材料制造技术领域。传统的木材加工技术主要是以树木的树干为原料,通过锯切等技术手段将树干加工成各种不同尺寸的实体木材板方材。
 
林业知识|生物质基复合材料制造技术体系产业发展现状及展望

 

 

生物质基复合材料制造技术”是在传统的“木材加工”技术的基础上,通过引进先进的复合材料制造技术,并不断地发展创新而逐步形成的一个新的材料制造技术领域。传统的木材加工技术主要是以树木的树干为原料,通过锯切等技术手段将树干加工成各种不同尺寸的实体木材板方材。这种工艺路线产生了大量的边皮锯末等加工剩余物,木材利用率一般在40%左右。而 “木基复合材料”制造技术是将这些木材加工剩余物,以及在树木采伐过程中产生的大量树枝、树杈等采伐剩余物都利用起来,通过一系列先进的复合技术过程将其制成不同尺寸的板方材产品。采用此技术,木材利用率可以达到90%以上。随着“复合材料”制造技术的发展,其原料也逐步扩展到竹材和农业剩余物(农业秸秆)等生物质资源,形成了包括“竹基复合材料制造技术”、“农业剩余物基复合材料制造技术”等多种不同生物质资源的新型“生物质基复合材料制造” 的技术体系。随着不断技术进步及产业扩展,目前 “生物质基复合材料制造”技术体系已经发展成为具有数万亿产值规模的国民经济重要产业之一。

 对于提供包括了木材、竹材、农业剩余物等全部生物质基复合材料所涉及的各个不同产业领域,以及它们辐射到下游产业的“准确产值”问题,因为涉及面太广,太分散,目前还没有一个统一的数据。有些技术领域,如“农业秸秆基复合材料”技术,因为刚起步不久,还没有的统计数据发布。另外,对于“木结构建筑”,“木(竹)栈道”,“竹木结构材园林景观”等产值数据一般都统计在“国家森林公园”,及少部分房地产(小区建设)等的数据之中,难以剥离出来。

 对于人造板方面,倒是有一些机构统计数据发布,但也不一定准确。例如国家木材流通协会刘能文会长发布的统计数据:2017年我国的人造板产量是3.15亿立方米;而国家林产工业协会钱小瑜副会长给出的数据是2017年我国人造板产量是2.948亿立方米。两个数据相差2千多万立方米,谁的更准确?

 即使是国家统计局发布的数据,也有很大不准确性。以胶合板生产为例,因为我国许多胶合板厂本身并不生产木单板,而是从专业的单板生产厂购买。例如将河南生产的木单板运到山东生产出胶合板,因此,在进行企业产量产值统计时,木单板统计一次(河南,木单板生产厂的产量产值归于人造板领域进行统计汇总),胶合板又统计一次(山东,实际上,胶合板产量已经在单板阶段统计过了)。除了胶合板外,木单板还可以卖给地板厂做地板,卖给装饰板厂做装饰板,卖给墙板厂做墙板等等,这些统计数据搅在一起,有多大可信度,值得怀疑。

 因此,本文在此给出一个笼统的估测值的目的只是想给大家一个宏观概念,追求具体的准确值其实没有必要。

 一、生物质基复合材料技术体系的范围及应用领域

 “生物质基复合材料”制造技术包括以下几个方面:以实体木材(锯材)为原料的实木基复合材料加工制造技术,如CLT(正交胶合木)、集成材(胶合木)等。以不同组元形态(单板、纤维、及刨花碎料)的木质材料为原料的人造板加工制造技术,如木材单板层积材(LVL)、胶合板、刨花板、定向刨花板(OSB)、纤维板、细木工板等。以不同组元形态的竹质材料为原料的竹质工程材制造技术,如重组竹、竹束胶合(层积)板、竹篾胶合板、竹层积集成材、竹条胶合板、(展平)竹单板胶合板、竹材碎料板、竹纤维板,以及竹/木复合板、竹纤维/合成纤维复合材料、圆竹建筑构件等。以农业秸秆为原料的农业剩余物复合板材加工制造技术,如麦秸刨花板、棉杆碎料板、麦秸纤维板、稻杆束墙体板等。

 生物质基复合材料产品的应用领域主要有以下几个方面:建筑材料,如木结构建筑的承重材料(胶合木的梁、檩、椽、柱等)、围护材料(建筑的墙面板、楼面板、屋面板等)、建筑及基建工程中使用的水泥模板等。建筑装修装饰材料,如建筑内装饰中的屋顶、墙面装修装饰,衣柜、橱柜、地板、门板等。室外建筑装饰材料,如园林景观,室外用地板(木栈道),建筑外墙挂板等。家具,包括各种板式家具和实木复合家具,公共场所用家具,以及各种车厢板,集装箱底板,各种包装及重型包装用材等。

 尽管我国生物质基复合材料的产业进步很快,但是,与产业发展和国家需求相比还具有较大差距。无论在现有产业的技术研发,还是其技术产品的领域扩展等方面还需进一步的努力。

 二、生物质基复合材料技术体系在木结构建筑领域的应用进展

 木结构建筑在我国已经有数千年的发展历史了。传统的木结构建筑主要是以实体木材的板方材为主要材料建造。这种以实木板方材为主要建筑材料的房屋大量消耗优质木材,木材利用率低。当前,我国大径级的优质天然林木材已经非常稀有,在我国主要林区残存的一些大径级天然林木材已经禁伐。除了在某些省份的少数民族地区还保有少量的实木木结构民居建筑外,我国传统的木结构建筑已经被砖混结构和钢混结构建筑代替。钢材、水泥、黏土砖等建筑材料都属于高碳排放材料,在其制造过程中会大量排放导致全球气候变暖的二氧化碳。因此,利用可将二氧化碳汇集起来的低碳“生物质材料”替代钢材、水泥等高碳排放材料的木结构建筑,已经得到国家高度重视,正在成为我国建筑产业的新的发展方向之一。

 在现代木结构建筑中,“生物质基复合材料”已经成为主要建筑材料。例如,我国现代木结构建筑所用的围护材料(墙面板、楼面板、屋面板)主要有定向刨花板(OSB)、结构胶合板、竹木复合板、竹篾胶合板等板材。我国木结构建筑所用的承重材料(梁、檩、椽、柱)有胶合木(集成材)、单板层积材(LVL)、CLT(正交胶合木)、竹篾层积材等。其中,以实体木材正交胶合形成的CLT材料在高层混合(木结构与钢混结构混合)建筑中也得到了一定的开发应用。

 当前一个的问题是目前我国在胶合木、CLT等结构用实体木材复合材料中使用的原料还是采用进口优质木材。这种主要依赖进口材的状况为我国木结构产业的发展留下了一定的隐患。一旦国际环境发生变化,原料供应问题将会影响我国木结构产业的正常发展。利用国产的人工林木材和竹材原料来生产建筑结构承重材料是解决这一发展困境的途径之一。这一新技术的发展还将有助于推动我国木材和竹材人工林种植业的发展,有利于解决我国农村人口的就业问题。目前,我国在这方面的技术研发工作已经取得一定的进展。以竹篾为原料制造的结构用竹质集成材(胶合竹),以人工林桉木单板与竹篾帘为原料制造的建筑结构用竹木复合材,以竹篾层积板与国产人工林小径松木板制成的竹木复合正交胶合木(CLT),以及重组竹板方材等国产材建筑结构材料的制造技术已经基本成熟,这些技术的产业化发展工作正在推进之中。随着这些技术在我国木结构建筑领域的应用,我国木结构建筑材料主要依赖进口材的问题将会逐步得到缓解。

 三、生物质基复合材料技术体系在人造板制造领域的应用进展

 人造板制造技术是以我国人工林小径材、枝桠材等为主要原料的 “木基复合材料”制造技术体系,是我国林产工业产业体系中的重要产业之一。目前每年为我国相关行业提供的人造板产品超过3亿立方米(中国木材流通协会提供的数据:2017年我国人造板总产量已达3.15亿立方米)。同时也极大地带动了我国人工林种植产业的发展。

 目前,我国的人造板产品的主要用途是在建筑的室内装饰装修、及室内家具制造等方面。由于在人造板制造中使用脲醛胶等含游离甲醛黏合剂,因此,人造板产品在室内应用中对我国室内人居环境产生的甲醛污染问题,一直是该产品亟待解决的一个“痛点”。使用不含甲醛的黏合剂制造人造板及其制品是解决人造板甲醛污染的基本途径。目前,在我国采用无醛胶制造无甲醛人造板产品的技术已经基本成熟。以热塑性树脂、大豆蛋白、以及异氰酸酯等无甲醛材料为人造板黏合剂制造的无甲醛人造板产品已经进入我国室内建筑装饰装修,以及家具制造(特别是儿童家具制造)等的市场,并取得了较好的经济、社会效益。

 在我国的人造板产品创新发展方面,研发“低密度、高强度”和 “高密度、高强度、高耐候性能”的人造板新产品,进一步扩展其在汽车、轨道交通、室外景观用材和室外装修装饰等方面的应用也是我国人造板产品发展的方向之一。研发密度低于普通人造板(低密度),而强度则达到或高于普通人造板的指标要求的“低密度、高强度”人造板产品不仅可以进一步降低人造板的原料消耗,而且这种产品在汽车及轨道交通等领域的应用将有效地降低车身自重,进而降低交通工具的能源消耗。研发“高密度、高强度、高耐候性能”的特种用途人造板,例如研发高密度、高强度胶合板,并将其在液化天然(LNG)气船上应用;研发“超高密度”的高耐候性纤维板,用于高层建筑的室外幕墙和高湿环境下的装修装饰材料等都将使我国的人造板产品的应用领域得到进一步的扩展。

 四、生物质基复合材料技术体系在新型竹质工程材制造领域的应用进展

 新型竹质工程材制造技术的创新发展始终是我国“生物质基复合材料”制造技术产业的一个重要发展方向。近几十年来,我国在竹质工程材产业发展方面取得了非常大的进步。其产品已经在建筑、建材、室内装修装饰、室外景观建筑、家具、车厢及集装箱底板等领域得到广泛应用。我国竹质工程材制造技术水平已经处于世界前列。我国竹质工程材制造技术的一个新的发展方向是利用竹材的高强重比和较好柔韧性特点,发展“3D异形材”制造技术,制造各种具有复杂造型的高性能异形复合材,扩展其在汽车、无人机、轨道交通,以及导弹、航空、舰船等领域的应用。

 五、生物质基复合材料技术体系在农业秸秆复合材料制造领域的应用进展

 农业秸秆复合材料制造技术也是近几十年我国研发出来的生物质基复合材料制造中的新型技术体系之一。以农业秸秆为原料制造人造板等复合材料不但可以及解决我国生物质原料短缺问题,而且还有助于及解决大量农业剩余物燃烧处理过程中的环境污染问题。目前,我国以农业秸秆为原料的复合材料产品应用领域还不够宽,主要问题是材料的性能难以完全满足使用要求,生产成本相对较高。除了要解决产品性能和生产成本等问题之外,根据农业秸秆原料特点,进一步发展新材料制造技术,扩展新应用也是该领域发展的需解决的问题之一。利用农业剩余物材料比重较轻的特点,发展建筑外墙轻质保温材料,与其他无机材料复合,制造新型组合式建筑墙体,以及研发轻质人造板产品等都是可以进一步开展的研究方向。

 木材、竹材、农业秸秆等生物质材料是世界上最丰富的天然资源。其可再生、可永续利用的特点赋予了“生物质基复合材料制造技术”广阔的发展空间。不断开发新技术、扩展新的应用领域,为我国工业体系持续提供低碳发展的新动力应该是我们永恒的努力方向。

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标签: 复合材料
 
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