木质材料研究现状与发展趋势                            

（中国林业科学研究院木材工业研究所）  
     
    木材由裸子植物和被子植物的树木产生，具有丰富的生物多样性。树木生长是一个复杂而协凋的生物化学过程，通过光能利用二氧化碳、水分和矿物等使自身发育成一个粗大的有机体，木材就是树木营养生长的主要产物。木材的形成是吸收二氧化碳、固碳并释放氧气的过程，有利于改善生态环境。　
　
　　木材作为传统的材料，一直为人类所利用。随着自然资源和人类需求发生变化和科学技术的进步，木材利用方式从原始的原木逐渐发展到锯材、单板、刨花、纤维和化学成分的利用，形成了一个庞大的新型木质材料家族，如腔合板、刨花板、纤维板、单板层积材、集成材、重组木、定向刨花板、重组装饰薄木等木质重组材料，以及石膏刨花板、水泥刨花板、木／塑复合材料、木材／金属复合材料、木质导电材料和木材陶瓷等木基复合材料。 

　　木质材料在建筑、家具、包装、铁路等领域发挥着巨大的作用。在不可再生资源日益枯竭、人类社会正在走向可持续发展的今天，木材以其特有的固碳、可再生、可自然降解、美观和凋节室内环境等天然属性，以及强度-重量比高和加工能耗小等加工利用特性，将为社会的可恃续发展做出显著贡献。与其他材料相比，木材具有多孔性、各向异性、湿胀干缩性、燃烧性和生物降解性等独特性质，如何更好地利用这些特性和最大限度地限制其副作用，是木材科学家和工程技术专家长期努力解决的主要问题。近年来林学家也积极参与木材科学研究，从树木的遗传学角度认识和改良木材的基本特性。

－、木质材料的研究现状

　　木质材料的研究开发与资源、经济和环境的发展密切相关，木材学、木材化学加工学、木制品先进制造技术、木基复合材料、木质重组材料、木质生态环境材料和木结构工程学等研究领域比较活跃。

　　1.木材学

      木材学主要是用生物学理论研究树木生长的技术问题，重点研究木材材质、材性与生物形成和加工利用的关系。在提高木材形成速度的基础上，重点研究分子遗传标记、木素基因转移、木素形成基因分离和克隆、木材主要性质的基因定位、木材纤维分子数量遗传学等遗传改良技术，提高木材基本性质的遗传稳定性；研究树木立地条件、初植密度、施肥、间伐、修枝等树木生长改良条件对木材性质和质量的影响；研究木材生长应力的形成和释放；以及研究开发立木染色和方形树的培育技术。

　　随着木材资源从以天然林为主向人工林转变，竹材、藤材和其他禾本、草本植物资源已成为木材资源的重要补充，因此，必须运用先进的科学理论和方法，深入研究木材的微观结构、成分及其与性能的关系，为开发新的生物材料奠定科学基础。重点研究领域有：人工林木材的幼龄材与天然林木材的成熟材的比较生物学、比较解剖学、比较物理学、比较化学和比较力学；植物材料的基本特性与细胞璧超微结构的关系；与藻类、菌类细胞壁的形成和分解有关的各种酶的分布和调节；定量化研究木材植物组织特征；木材生物活性物质的抗菌性、抗虫性、抗癌性、香味，对动物的生理作用和药理作用，对无机矿物材料的促凝和缓凝作用，可生物降解性。如用热成像方法研究木材应力-应变分布、水分-应变的关系以及木质材料均匀性；用非线性理论研究木材流体流动机理；用辊压／水压和热定型技术，对软质木材进行硬化定型处理；用计算机视觉技术对木材分等级、检测木材表面质量和缺陷；开发无损检测技术，提高变异性较大的木材的使用安全性；用ｘ射线成像方法检测木材虫害程度和防虫效果；用动力学方法检测木材的弹性力学性质；用红外线检测方法监测城市古树的稳定性等。 

　　2.木材化学加工学

　　木材化学处理方法研究特别注重安全性和经济性，综合考虑毒性、效力、溶解性和适用性，从木材的使用前处理延伸到加工前处理和使用后修复。重点研究的领域有：无毒抗流失硼制剂的固着性，开发快速透人型低有机挥发物的水基杀虫剂和杀菌剂（膏剂、乳液、硼棒、蒸气等形式）；研究透气性木材涂料；提炼并合成木材天然防腐剂；引人生物防护技术，研究木材共生菌对木腐菌的抑制作用；木质防火材料从难燃扩大到准不燃。 

木材化学利用技术扩展到气化、液化、塑化、化学改性、漂白、染色，以及木材成分的利用及非木材植物材料的利用。重点研究植物高分子的结构和物理性能的关系；酶在植物材料转换中的作用；纤维素和木素均为碳水化合物，将大分子裂解为人体酶可降解的小分子，有可能开发出新的木本饲料；将木素进行碱抽提和酸中和后，可以制取木素碳纤维（图1）；用强酸、酚类或多烃基醇使木材液化，可以充分利用废弃木材，其产物可以作为多泾基化合物直接制蚤新的可生物降解的泡沫材料和酚醛树脂，部分取代石油产品，具有可生物降解的优点。

　　3.木制品先进制造技术

　　木制品先进制造技术在传统的木材机械加工学基础上，不断吸收机械、电子、信息及现代化管理技术等领域的成果，学科延伸扩大到木制品产品设计、制造、生产、检测、管理和服务等全过程，广泛采用机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数控加工中心、敏捷制造技术、柔性生产技术等先进制造技术。以计算机支持的仿真技术为前提，对木制品的设计、加工、装配等全过程进行统一建模。在产品设计阶段，实时、并行地模拟出产品末来的制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、产品生产技术、产品的可制造性，从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，使工厂和车间的设计与布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率最高化。采用计算机数控技术、机器人技术和逻辑过程控制技术的木制品柔性生产技术，60ｍｉｎ内可改变设计样式，6天内可推出新产品，对满足末来市场多样化和个性化消费对小批量多品种产品的需耍具有重要意义。 

　　4.木基复合材料学

　　木材是天然材料，使用范围受自身物理力学性质的限制。木板、木条、单板、刨花或纤维等木材组元与有机高分子、无机非金属或金属等增强体或功能体复合组成木基复合材料，包括木材／橡胶层积复合地板、木材单板／玻璃纤维／铝三元复台材料、石膏刨花板、水泥刨花板、木纤维／合成纤维复禽材料、注塑型木粉／塑料复合材料（图2）、、木质导电材料和木材陶瓷等。这些木基复合材料具有原始木刺（沁ｇｉ.ｗ。。ｄ）所不具备的新的物理力学性能。当前的研究重点是木基复合材料的成分、结构、工艺、性质和行为之间的关系以及界面特性，按照产品最终用途要求的性能进行材料设计和制造。

　　研究开发木塑复合材料，如合成高分子／木粉（木材纤维、木材刨花、木材单板）等复合材料的目标是降低成本、增加柔性和可循环利用性、加工性、灵活设计性和提高强度。研究领域有：木材／高分子复合材料的阻尼特性以及相溶剂和偶联剂对复合材料的二次力学性能的影响；利用超临界流体处理技术和等离子体处理技术提高木材／塑料界面反应性能；应用反向气相色谱，研究控制木材纤维／高分子复合材料界面结构和性质的基本物理化学参数，利用紫外光、钻60辐照源、庐射线和ｙ射线使高分子单体与木材发生交联反应，研究木材与其他材料的复合制造理论和性能评价。

　　木基复合材料研究的另一个前沿是木质材料的功能化，大致可分为填充、混杂、复合和表面覆盖等方法，如将导电性填料填充到木材中，将导电性短纤维与木材纤维或木粉混杂和复合。还可将导电性纤维与木纤维混杂成功能纸，使纸张的全部、外表面或内部成为连续相乎面选择性导电材料。将小木片镀镍后模压，可制成曲面选择性导电材料，电磁波屏蔽效果可达40~70dB（以对频率1.5GH.电磁波的屏蔽效能20dB为例，可将电磁波干扰或污染强度衰减90％），体积电阻率可达0.15-5.9Ｑ.cm（实体木材一般为108~1011数量级）。研究开发木质屏蔽功能复合材料，在9kHz~1.5GHz的范围内减少室内电磁污染，有利于实现其环境认证（如ISO14000）和安全认证（如CE标记），增加木质板材产品的附加值，在室内装修、办公用家具、公共汤所等应用领域有广阔的前景。

　　木材陶瓷是用木质材料与热固性树脂制成的复合材料在高温绝氧条件下烧结而成的多孔性碳素材料，具有新的功能。木材陶瓷的烧结温度和温升速度与其力学性质有关，木材陶瓷材料的静曲强度达到27MPa（木材为29~183Mpa），弹性模量达到7.5Gpa(木材4~21GPa）。木材陶瓷材料随着烷结温度的提高，从绝缘体过渡到导体，比重为0.7~1.0（木材为0.24~1.13），可取代传统的铁氧体电磁屏蔽材料，也可作为远红外发热材料和吸收材料（波长为4.0~22.0um放射能为黑体的80％），还可作为无润滑滑动部件（摩搽系数为0.1~0.15，布氏硬度可达60MPa），并具有易加工制造，高强、优良的摩搽和磨耗特性，以及自含润滑油、耐腐蚀和低密度（为钢的1/9~1/13）特性等。

　　5.木质重组材利

　　随着大径级木材的减少和木材使用性能要求的提高，原始木材的天然特性难以满足需要。将木材加工成木板、木条、单板、刨花或纤维等组元，利用现代技术将木材组元重组为新型木质材料，如胶合木梁、单板层积材、定向成材、胶合板、重组装饰薄木、单板层积中空圆柱材、定向刨花板、刨花板和纤维板等，这种木质重组材料具有原始木材所不具各的几何性能、同一性、均匀性和曲面成形性。

　　木质重组材料研究的重点是：生产过程最优化，对定向刨花板的板坯铺装进行计算机模拟，建立性能预测数学模型，由性能／成本比来决定生产工艺和原材料的选用；木质重组材料正在取代大断面实木部件，其主要工程性能（如强度和耐久性）除了与木材组元有关外，还与胶粘物质的自身性质和固化状态有关，应用碳13CP／MAS／NMR，可有效地揭示木材／胶粘剂胶合界面的分子结构和己固化胶粘剂的动力学特性；建Nonte Carlo模型，深化对大片刨花板板坯内部结构和相关性能的了解；应用复合材料理论预测木质重组材料的强度和韧性；改善木质重组材料的耐火性、强度和尺寸稳定性。

　　6.木结构工程学

　　木结构工程学（wood engineering ）深人研究木质材料的性质（property）和行为（performance）之间的关系。重点研究木结构的振动、疲劳、接合和老化性，如木棚破坏机理及木质结构材料的强度预测；木质材料的天然耐久性和蠕变性；木材的弹塑性变形与强度；木构件连接强度与应力应变关系；木材机械连接结构性能；木刺胶合构件的连结方法；钢筋与胶合木梁连接性能；木构件结合部位的耐火性能；木结构耐久性因素在地震条件下的行为；铝箔蜂窝夹芯胶合板作为轻体绝缘天花板的性能；大型木构件燃烷性能和承载性能。 

　　7.木质生态环境材料学

　　木质生态环境材料学主耍研究木质材料及其工程技术与自然环境间的关系。重点研究开发：木材和木制品洁净生产加工技术，降低或彻底消除游离甲醛的EO级脉醛树脂胶木质重组材料，开发不含游离甲醛的异氰酸醋胶和改性豆胶木质材料，木材防腐处理的环境协调性技术，木材加工过程产生的废水和废液的回收利用，木质材料加工制造过程中产生的有机挥发物（VOC）的利用和处理。

      木材环境学特性研究引人注目。主要研究木材新的自身特性，如以木材的颜色、光泽、纹理、节子等表征的视觉特性，以木材冷暖感、软硬感、平滑感等表征的感觉特性，以及听觉特性和心理学特性等；木质材料的建筑环境特性，如木质地板材料的隔音性和缓冲性，木质材料对温度和湿度的调节性，木质住宅居住环境对卫生害虫的影响，木质材料在住宅、大型建筑物和家具上的适用性，木质材料应用在住宅、家具和室外对环境的影响等；以及大气污染和酸性沉降物对木材形成的影响。 

　　开展木材和木制品的寿命周期环境评价，建立木材工业ISO4000环境管理体系，研究废弃木材循环利用和开发新型生态环境材料也是当前的研究热点。主要研究利用化学热反应和机械作用相结合，回收利用各种废弃木质材料，制造再生的刨花板、定向刨花板、水泥刨花板、中密度纤维板和地板等新的木质材料。这类材料经炭化后，可改良土壤、净化海水、吸附油脂和吸附重金属，还可制造木质藻礁。

      二、发展趋势

　　木质材料研究的发展与社会、经济和资源、环境的发展紧密相关，新的生长点和交叉点不断出现，并不断向其他相关学科延伸。这既促进了木质材料研究自身的发展，又丰富了森林科学和材料科学的内涵。概括起来，木质材料研究的发展趋势有四个方面。

　　－是木材科学研究的范围和对象不断扩大。从传统的木材构造、物理、力学、化学、缺陷和材质改进扩大到生物学、林学和加工利用学，研究对象扩展到竹材、藤材及其他禾本、草本植物和藻类植物，木材科学正向植物材料学方向发展。

　　二是木质材料研究与相关学科不断交叉、渗透，新的学科增长点不断出现。木材加工学与复合材料学相结合，向木基复合材料学和木质重组材料学方向发展；木材机械加工学与先进制造技术相结合，向木制品先进制造技术学方向发展；木材加工学与生态环境材料学相结合，向木质生态环境材料学方向发展，木结构工程学与环境学相结合，向木结构环境工程学方向发展；木材化学与化学工程学相结合，向木材化学加工学方向发展。

　　三是木质材料研究注重应用先进的研究方法和分析仪器，不断加深对木质材料的认识。计算机仿真模拟、隧道扫描电子显微镜、固态与液态核磁共振仪、计算机图像分析处理技术、气质联用仪、动态热机械分析仪、原子表面力分析仪和模型化合物等的应用以及各类木质材料数学模型的建立，使研究木质材料的成分、结构、工艺和性能的关系和研究木材化学成分与微生物、酶和其他材料的反应成为可能。

　　四是木质材料研究不但注重其基本性质的改进，还注重赋予其新的功能。木材的基本性质得到很大的改进，其易腐性、易燃性、尺寸不稳定性、各向异性、变异性得到很大改善；木材陶瓷被赋予新的硬度、摩擦性、磨耗性以及远红外线放射性和吸收性；木质导电材料被赋予新的导电性、电磁屏蔽性和体积电阻率。

      三、对我国木质材料研究的建议

　　木材是一种来自于可再生资源的传统材料，生态环境协调性最好，却时常被人忽视。木材工业是非常传统的工业，但也是现代林业和现代材料工业的重耍组成部分，担负着向社会提供木质材料及其制品、为林业产业建设和林业可恃续发展提供经济基础的重任。

　　1998年，我国政府开始逐步实施"天然林保护工程"、"重点地区以速生丰产用材林为主的林业产业基地建设工程"等6大林业工程，木材资源将迅速从以天然林为主转向以人工林为主，竹材、藤材和其他草本、禾本植物和废弃木材将得到广泛利用。社会对木质材料及木制品的质量、性能、功能和生态环境协调性的要求将越来越高。这为我国木质材料研究提供了广阔的发展空间。结合我国国情和国际木质材料研究的发展趋势，选准我国木质材料研究的主攻方向和突破口，经过一个时期的努力，我国完全有可能争取在主攻方向有所突破，带动我国木质材料研究的发展。 

　　1.主攻方向

　　围绕我国木材资源发生的变化，要以新的科学理论和高技术改造传统的木质材料加工、制造及利用技术，高效利用木质材料，满足市场多样化需求。为此，要深人研究以人工林木材为主的植物材料的材质材性与生物形成和加工利用的关系，重视木材和非木材植物纤维原料的合理利用、节约利用、综合利用和循环利用；加强木质材料的基本特性、生物活性、功能性和生态环境协调性研究；跟踪国际木制品先进制造技术、木材化学加工学和木结构工程学研究动向，创造条件逐步开展有关研究。 

　　2.突破口

　　结合国际科技发展趋势和我国木材工业特点，我国木质材料的研究要与现代生物技术、材料工程技术、环境工程技术、信息技术相结合，选择木材生物改良技术、木质材料的复合与重组、木质生态环境材料制造技术和木制品先进制造技术四个方向为突破口，以高新技术促进我国木质材料研究的发展，为我国传统木材工业向现代木质材料工业的转变提供科技支撑。