著名科学家钱学森认为“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的一个重点, 会是一次技术革命。从而将引起21世纪又一次产业革命。” (严冬生, 1977)。纳米技术作为一个新突破点, 也将引起木材工业上的一次新的技术革命。本文就纳米和微米技术在木材工业上的应用前景进行展望, 预测未来纳微米技术可能对木材工业产生的影响。

纳米(nanometer)是一个长度单位, 简写为nm。纳米技术的提出代表人们认识上的一个新层次, 是人们从宏观研究进入微观研究的量化体现, 是科学从局部几何尺寸进入细胞和原子内部研究的深入探讨(卢柯, 1997)。木材纳米技术一般应该是指将木材碾碎至纳米超微粒子木粉的技术。木材超细纤维加工受到木材尺寸和木材细胞结构尺寸的限制, 一般只能加工到微米级, 木材微米固体材料按本文定义是纤维直径尺寸为100~l0000nm的超微纤维, 这种木纤维我们称之为微米木纤维。由于它的研究已经进入到木材细胞的研究范畴, 因此, 也是属于纳米技术的研究范畴, 这两种情况我们统称为木材纳微米技术。木材纳米和微米固体是指由木材超微粒子和超细纤维制成的木制固体材料或木制固体复合材料, 这些材料是木材纳微米技术研究的成果和研究的目标, 我们统称为木材的纳微米材料。木材的纳米细胞学就是通过纳米微粒重组木材细胞组合, 创造新的材种。这些进展可能改变木材和人造板材性形成的机理。总之, 纳米科技必将成为21世纪推动木材工业前进的主导新技术之一。

在木材工业中, 木材的细胞直径相对较粗, 在现有的技术水平和实际应用的意义上讲, 木纤维只能加工成微米水平, 因此, 在木材工业的应用上, 我们以纳微米作为应用的主体。

木材细胞的尺寸相对纳米来说是很大的, 通过木材纳微米技术改变木材的细胞结构和控制细胞的生长, 就可能改变木材材性。如果改变了木材细胞的结构, 实际上已经产生了一个新的材种。因此, 木材的纳微米生物合成新细胞方法的研究就是利用木材微米尺寸的细胞合成和细胞加工技术在细胞内部进行细胞组织的分解、变化和合成, 从而形成新材种。这些研究在其他领域已经用物理和化学方法改变纳米的原子位置来实现新物质的产生, 对细胞搬移手段进行细胞基因的变异问题研究也同样可以产生新的细胞和材种(Ugai et al., 1999)。

在木材的纳微米材料制造技术中, 现阶段就可以将微米纤维加工出来, 对于绝大多数树种, 当纤维加工到微米级别以后, 木材细胞的胞管已经全部破开, 胞管内的粘性液体可以很容易流出来。机械制浆后可以不必再用化学的方法提取胞管内的有害液体, 造纸机械浆高得率的优点就可以得到完全的实现。我们可以不必必须用化学的方法分离纤维, 从而减少由于化学分离造成的污染和能源、水、出浆率的浪费。这样, 应用木材纳微米技术就形成了造纸的机械高得浆率制浆法。同时, 机械制浆是可以小型化的生产技术, 中国小造纸的污染问题也可同时得到解决。总之, 林化产品的纳米化学研究是纳微米技术在木材工业最有前途的领域。纳米没有污染的木材造纸技术研究很可能在近期就会出现突破, 使用物理法制造催化剂和微米木纤维的加工都可以彻底解决造纸的污染问题。

木材和其它材料一样, 在加工成纳微米尺寸后, 材料特异性质、尺寸效应及其变化机理都可能发生变化, 而木材纳微米小于木材的细胞直径, 因此, 纳微米水平的木材改性是在木材细胞和显微结构下的改性技术, 可能使木材改性出现突破性进展。当然, 具体木材在应用纳微米技术以后会出现什么材性的改变还有待我们进一步研究。

当木粉变成纳微米的粒度后, 原木材理化指标将发生变化。这种变化对改进木材加工技术带来方便。以木材液化为例, 现在木材液化的成本非常高, 几乎没有工业价值; 而且传统木材液化基本是以酚或多元醇在高温下进行, 有时还要以酸、碱为催化剂, 造成相当严重的污染, 损害了木材作为绿色材料的特性。如果将木粉加工到纳米, 木材原来细胞的结构破坏, 纤维组织结构发生了变化, 木纤维、半纤维素、木质素可在加工的过程中用机械的方法分离出来。在纳米细粉状态下进行木材液化可以是一件非常容易的事, 这一技术可能完全改变木材液化的方式和成本, 使木材液化真正工业化。

在复杂木雕制品的加工中, 采用RPM (直接CAD技术)将纳微米木粉或木纤维形成复杂木雕制品, 可能开创一种新的木制品加工方法。利用木材细胞的自组装方式可以形成新的木基复合材料, 并从此产生纳微米木基复合材料及其形成机理的新理论。纳微米无机/聚合物杂化木塑复合材、木材纳微米状况下和高分子材料细胞结构重组、木基纳微米仿生材料研究将开创木材科学研究的新领域。纳米木粉材料的工业化前途已经明朗, 廉价、批量生产纳米木粉材料的商业化环境已经形成。纳微米技术在木材工业上的应用将从纳米木粉的大规模生产开始。

木材纳米胶合化学的应用前景也是相当好的, 具有广阔的工业化前景。纳米木粉生产的无污染胶粘剂可能代替含甲醛的有毒胶。胶粘剂的绿色革命可能从木材的纳微米技术开始。木材表观纳微米摩擦学的表征与检测技术也将成为木材纳微米技术的新的研究领域。对纳米木粉和纳微米木纤维进行阻燃处理要比对大径级木材进行阻燃处理容易得多, 将这些经过阻燃处理的纳微米木材重组形成新的人造板材也一定具有阻燃特性。纳米技术制造的阻燃涂料可以使木材和外界完全隔绝, 作为木材的这种纳微米涂饰材料可能最廉价地解决木材的阻燃问题。木制磁材料和木制绝磁材料的研究将使磁材料和绝磁材料生产的成本下降, 在纳微米材料中, 木制纳微米粉的成本可能是最低的。木材的绝磁特性在这种材料中将得到充分的发挥。木材和磁性材料的亲和性和低廉的成本为制造木制磁材料提供了条件。发光木材的开发也将依赖木材纳微米技术的开发。木制高强度薄膜产品将靠木材微米木纤维的高密度模压技术实现。高密度木制产品的强度可以和普通钢材相比拟。木基空腔体材料和多孔材料的制备技术也是木材纳微米技术的发展方向。

纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性, 是摔不碎的陶瓷, 利用纳微米技术制成的木陶瓷其性能同样会更加优良。人的牙齿有很高的强度, 是因为它是由磷酸钙等纳米料构成的。CaF₂纳米材料在室温下可大幅度弯曲而不裂。如果制成CaF₂纳米木粉混合物, 这种特性可能发挥得更好。人类在纳米碳管上的研究进展已经出现了工业化的前景(Baughman et al., 1999), 这种材料的强度是钢材的100倍, 密度仅是钢材的1/6。纯木纤维的强度高于一般钢材同直径细丝在100a前就被实验证明了(科尔曼, 1991), 但由于木纤维纳微米加工技术没有成功, 这些实验结果只能作为科学设想存在。如果将纳微米技术引进人造板工业, 可能制造出可再生资源生产的高于钢材强度的木材。但木材的这些纳微米特性在理论上的研究到目前仍然是空白。

纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬3~5倍, 木材制成纳微米以后, 硬度可能提高几倍, 出现超硬木材。粒径为40nm的纳米铜粒子的熔点从通常的1053℃降到750℃。银的常规熔点为690℃, 而超细纳米银熔点变为100℃。木材超细化后, 其熔点如果下降, 如一定粒度下的木材熔点低于100℃, 木材溶解可能出现新的、简单的工艺。当黄金(Au)被细分到几百纳米(小于光波波长)时失去光泽呈现黑色, 木材在纳微米细化后的光学特性变化研究还完全是空白。20nm的纯铁微粒子的磁性比大块材料强1000倍, 但当尺寸再减小到6nm时, 其矫顽力降到零, 表现出所谓超顺磁性(Wang, 1999)。由于变形率的差异, 木材和铁的复合一直非常困难, 当木材和铁都加工到纳米级以后, 木材和铁的复合就可能容易得多。如果木材和铁粉混合, 当铁显示磁性时, 木铁复合材就显示磁性。当铁显示超顺磁性时, 木铁复合材就可能显示木材超顺磁性。这些理论可能构成木材生产磁性和绝磁材性的理论基础。

由于木材纳微米技术是人类在木材工业开拓的一个新的领域, 它的许多研究都是创学科性质的研究。木材在纳米新技术研究的方向层出不穷, 有广阔的发展前景。木基纳米材料技术研究包括木纤维、人造板纳微米贴面、纳米人造板自组装材料及其形成机理研究、纳微米无机/聚合物杂化木基材料、纳微米生物仿生材料研究、木制空腔体材料和多孔材料的制备技术。这些将构成纳微米人造板学。木材纳米材料的特异性质、木材纳微米尺寸效应及其机理以及与显微结构的关系等研究将构成纳微米木材学。局域纳米木粉化学的研究、纳米林化合成新方法的研究、纳米木粉物理法制造催化剂和不使用酸及无酸污染研究等将构成纳微米木材物理化学的学科。

木材纳米材料的产业化前途是非常光明的, 廉价、批量生产纳微米木制品的工艺研究是产业化的关键。木材纳微米科技是多学科交叉、基础研究和应用开发紧密联系的高新技术, 木材纳米材料学、木材纳米机械加工学、木材纳米电子学、木材纳微米化学、木质纳微米生物学都将现出创造性的成果, 这些成果将推动木材纳微米的产业化(周兆英, 1999)。