木材泡沫

木材泡沫（Wood Foam）是一种新产品。其于去年10月在威尔士Llandudno举行的国际板材产品研讨会（International Panel Products Symposium）上发布，被认为是一种全新的木质材料，并开辟了新的使用和替代石油产品的途径。

木材泡沫（Wood Foam）是由位于德国Braunschweig的弗劳恩霍夫木材研究所（Fraunhofer Institute for Wood Research）开发的产品。该产品很轻，多孔，强度高。产品的潜在应用很多。作为一种轻质、开放结构的泡沫材料，具有低密度和高绝缘性能，一个非常明显的用途是作为包装材料（图1）代替普遍存在的聚苯乙烯泡沫。作为包装材料，便于消费者使用并且易于消费者通过纸张回收途径处理。作为砖体材料，可以起到隔音或隔热的作用。可以采用轻质板材的形式，具有结构特性和强度，提供许多可能的用途。其他的应用是用于家具、门或完整墙部件的夹层板中的轻质中间层。总之这种材料可能的用途很多。

木材泡沫完全由木材纤维组成，没有添加剂。其强度完全来自木材纤维自身的粘合力。不涉及树脂、粘合剂或胶水。因此可以消除任何此类添加剂的排放引起的健康问题。再次证明了木材和木材纤维的巨大潜力。作为目前由塑料或其他材料制成的许多产品的可持续性替代品，其生态潜力似乎极为诱人。具备的力学和物理特性将使其成为众多工业应用的起点。

尝试用木材纤维制造发泡的或泡沫状的材料可以追溯到20世纪40年代。含有高浓度木质素的废液（这些液体是造纸和纤维板制造的副产品）被用作木质素的来源;在过程中加入碳酸，使混合物发泡并固化。另一方面，发泡是由吹气产生的。还尝试了其他技术。然而，都没有获得商业认可，而且技术也随之丢失。最近，这一产生于战时的想法得到了恢复和调整。在第二次世界大战（World War Two）物资短缺期间，在面包面团中添加了锯屑以节省食物供应。2003年，奥地利的研究人员利用了这种想法，将锯屑与小麦粉和水混合形成面团，然后用酵母的作用将其发酵。烘焙后，该产品被称为“木制面包（Wooden Bread）”，这是作为一种工业产品而不是食品。

目前的产品在外观上，是一种棕色或彩色海绵，触摸时很硬，孔隙的大小和比例各不相同，具体取决于所需的密度（图2）。其唯一成分是木材纤维，可以是针叶材或阔叶材，或实际上任何来源的木质生物纤维，包括农业废弃物。在实验室中，使用了山毛榉和松木。为了使木屑通过热磨机械制浆降解为纤维，在150℃的精磨机中研磨。然后将其与水混合，得到非常精细研磨的木材纤维悬浮液。为了使水状悬浮液发泡，可以添加蛋白质或者气流吹过。产品的强度取决于木材纤维本身的粘合力。为了激活，加入过氧化氢，然后将发泡的悬浮液在130℃下对流干燥半小时，然后在70℃下保持过夜。（这当然是实验室的过程。商业生产仍在继续。）

由于海绵状的孔隙，结果产生低密度的刚性结构。到目前为止，密度范围为40～200 kg/m3，当然随着泵入的空气量而变化，因此空气腔的尺寸和比例也不同。两种机制将结构保持在一起。一种是木材纤维之间的天然化学结合，由过氧化氢引发。然而，这些化学力本身不足以提供足够的力学强度。第二个因素是物理锚固和纤维束之间的缠结。在显微镜下检查时，纸浆中未处理的纤维具有非常光滑的表面。为了提供锚固，纤维必须是粗糙的。精磨机的研磨使其变粗糙，其表面分解成可互相牵连的状态。通过这两种机制的组合，可以在不使用任何粘合剂的情况下生产具有相对高力学强度的木材泡沫。

力学强度随泡沫密度而变化：密度越高，纤维越靠近，木材自身的粘合力和缠结锚固越强。纤维长度也增加了力学强度，在高密度下，松木泡沫具有较长的纤维，在拉伸和压缩方面优于山毛榉泡沫。在低密度下，无论如何压缩效果都不明显，因为前10%的压缩应变被空气腔而不是木材纤维吸收。抗压强度也随密度和树种而变化。115 kg/m3的高密度松木在10%压缩下的抗压强度超过200 kPa;山毛榉的数据是145 kPa。这些可以通过添加聚氨酯等粘合剂来增加。内结合强度可以加倍。但这并未完全反映在抗压强度上：粘合剂确实具有效果，但与之前一样，压缩的主要机制是气腔坍塌。

吸水率

木材泡沫的吸水率很高（图3）。其开孔结构类似于海绵。然而，松木纤维含有疏水性（即防水）成分，与山毛榉相比，可减少松木泡沫的吸水性。其还具有吸收水分的能力，与泡沫密度无关——是纤维的疏水性质，而不是孔隙的大小。一个主要的因素是山毛榉和松木泡沫在水中保持尺寸稳定——冷水中24 h后膨胀小于1%，因此有效地防止膨胀。然而，吸水可能产生的问题，可能促进真菌侵袭。对此可能的解决方案是在纤维混合物中添加混凝土。添加10%的混凝土可将榉木泡沫的吸水率从31 kg/m2降低到2 kg/m2。混凝土赋予泡沫更高的密度。替代的疏水添加剂是硅烷或蜡。然而，这两者都对泡沫的强度具有负面影响。

热学和声学特性

这种泡沫的一种可能的应用是隔热，可能以地砖或板材的形式。导热系数仅取决于泡沫的密度，木材树种没有影响。对于密度为45 kg/m3的泡沫，导热系数可低至0.036 W/mK。聚苯乙烯和木材纤维保温板材的值在0.029 W/mK和0.038 W/mK的范围内，因此木材泡沫非常适合作为这些产品的替代品。

同样，其开放结构赋予木材泡沫作为吸音材料的优异性能（图4）。甚至高密度木材泡沫也可用于此处：例如，由松木纤维制成的密度150 kg/m3的30 mm的试样相当于发泡聚苯乙烯的性能。在较低的密度下，优点是显著的：30 mm厚的密度为70 kg/m3的山毛榉泡沫样品产生的吸音效果类似于80 mm厚的聚苯乙烯。

在这两种应用中，耐火性很重要。标准EN ISO 9239-1的B2測试要求燃烧距离小于150 mm。木材泡沫试样（包括长纤维和短纤维）都通过了测试，燃烧距离和火焰持续时间相同。当木材泡沫与金属结构结合时，在复合板材中，燃烧距离和火焰持续时间显著减少。

结论

木材泡沫是一种新颖且有效益的材料，具有巨大的潜力，具有环境和经济优势。其可以在各种应用中取代石油基产品。作为几乎100%木材的产品，是安全的。原料是可再生的，可以是小尺寸的枝桠和碎片（价值很低，实际上是森林作业中的废弃物）。其来源也可以是纤维性农业废弃物和浓密植物。成品易于处理，不会产生绒毛，可以像其他木质材料一样锯切、粘合或钻孔，并产生很少的灰尘。无异味，无粘合剂，制成时也不含添加剂，因此避免了对健康风险的担忧。对基于可再生资源的轻质木质材料和隔热材料的需求不断增加，弗劳恩霍夫木材研究所（Fraunhofer Institute for Wood Research）正致力于木材泡沫的进一步开发，目的是在不久的将来将这种材料商业化。

（网址：http：//www.wbpionline.com/  陈 玲译）