摘要：沙生灌木是我国西部干旱、半干旱地区丰富的生物质资源。文中在系统介绍沙生灌木的木材学特性基础上，全面归纳总结了近年来我国沙生灌木资源在新型人造板——重组木、木塑复合材、轻质工程材料、纳米复合材料等木质复合材料领域的研究现状，展望了沙生灌木资源在木质复合材料领域的发展趋势，旨在进一步推动沙生灌木资源在木质复合材料领域的应用与发展。
关键词：沙生灌木，重组木，木塑复合材，轻质工程材料，纳米复合材料
作者： 邢东 郭明辉
沙生灌木是广泛生长在内蒙古西部干旱、半干旱地区的多年生灌丛植物，具有耐寒、耐旱、耐高温、耐沙埋、适应性强、生长快等特性，在防风固沙、保持水土、改善维持生态平衡等方面具有独特功能。据统计，目前主要栽植树种有沙柳、柠条、红柳、乌柳、杨柴、花棒、枸杞等，其中沙柳、柠条、杨柴等树种的蓄积量较大。根据沙生灌木的生物学特性，必须在3～5年平茬1 次，有利于萌发新的枝条，促进其更新复壮，否则7年便会枯竭而死。由于这些平茬灌木枝条已经木质化，故称为灌木材。每年平茬复壮可获得大量灌木枝条，但由于径级较小，其应用始终受到限制。随着沙生灌木资源科学利用技术的不断发展，灌木材的应用领域从最初的种条、饲料、薪炭材、编织用材及传统人造板原料逐渐拓展到新型重组木、木塑复合材、轻质木质工程材以及纳米复合材等木质复合材料的原料，极大拓宽了灌木材的科学利用途径。
本文将在介绍沙生灌木的木材学特性基础上，全面总结近年来我国沙生灌木资源在新型沙生灌木基人造板——重组木、木塑复合材、轻质工程材料、纳米复合材料等木质复合材料领域的研究现状，展望沙生灌木资源在木质复合材料领域的发展趋势，以进一步推动沙生灌木资源在木质复合材料领域的应用与发展。
1 沙生灌木的木材学特性
从解剖构造上看，沙生灌木材均具有导管，属于阔叶有孔材，但管孔尺寸较小。沙柳、杨柴、乌柳、黄柳、花棒和榛子为散孔材，柠条和沙棘为半环孔材，红柳为环孔材。从化学成分上看，灌木材木纤维含量为62.4%～79.2%，综纤维素含量为64.74%～78.96%，pH值为4.52～6.12，其树皮含量、细胞内含物、灰分和抽出物含量均高于木材。
目前应用最广泛的灌木材为沙柳（Salix cheilophila），2～3年内树高可生长3～5 m，3年龄沙柳材直径约为1.5～2.0 cm，其外皮为灰白色，光滑没有裂纹，树皮含量约占25.4%；主要细胞构造由木纤维、导管、木射线及少量轴向薄壁细胞等组成，木纤维比例较大，占68.4%，导管占27.1%，木射线薄壁细胞占3.4%，其他占1.1%。沙柳材的木纤维长度为0.39～0.77 mm, 平均约为0.54 mm，属于短纤维原料；宽度为12～24 μm，平均约为15 μm，长宽比值约为34，低于毛白杨、红松等乔木；壁厚为2～4 μm，壁腔比约为0.47，与毛白杨、红松接近；沙柳材的导管长度为0.14～0.27 mm，平均约为0.23 mm；宽度为23～30 μm，平均约为28.7 μm。沙柳材的化学成分主要是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素含量较高，约为52.63%，综纤维素含量为78.96%，半纤维素含量为23.37%，木质素含量为18.20%；沙柳材的灰分含量（3.21%）、冷热水抽出物含量（8.21%）、热水抽出物含量（10.33%）和1% NaOH抽出物含量（23.18%）均高于木材。上述研究结果表明，沙柳材纤维细胞含量和综纤维素含量较高、木纤维长宽比大、壁腔比小，纤维形态良好，是理想的制浆造纸和纤维板原料。
2 沙生灌木基重组木
从20世纪90年代开始，科技工作者先后对沙柳材、柠条材、花棒材和柽柳材等多种沙生灌木的微观构造、细胞形态、化学成分以及物理化学性能进行了系统测试研究，并实现了以沙生灌木为原料的人造板制造技术的产业化推广。多年来，沙生灌木人造板产业已经成为沙区林产支柱产业之一，在一定程度上缓解了我国木材短缺的现状，并为当地农民增收开辟了新途径。2012年，王喜明结合20余年的研究经历，对沙生灌木人造板生产技术产业化现状与发展进行了系统的总结概述，因此本文对沙生灌木资源制造传统人造板材料的研究现状不再赘述。
1975年，澳大利亚John. Douglas Coleman博士提出一种新型人造板材料的研究思路——木材重组。重组木是指不打乱木材纤维的天然排列顺序，保留木材的基本特性，通过辗压形成木束，再经施胶、干燥、铺装成型、热压、后期处理等工序，将木束重新组合成型，产品具有木桁梁的强度。研究者通过对沙柳细胞构造、纤维形态和化学成分的研究发现，沙柳材直径较小、木纤维含量高、纤维强度高于枝丫材，是制造重组木的优质材料。
2003年，高志悦、阿伦率先在我国开展了沙生灌木材（沙柳）重组木的研究，先后对沙柳重组木的主要加工工艺、产品用途及经济性进行了分析论证。首先，以沙柳为原料，脲醛树脂胶为胶粘剂，获得沙柳重组木的制造工艺为3层垂直铺装、木束碾压3次，热压温度140 ℃、热压压力10 MPa、热压时间1.0 min/mm、施胶量9%，产品静曲强度91.255 MPa，内结合强度0.871 MPa，2 h吸水厚度膨胀率为8.355%，吸水率为6.215%，各项性能均达到或超过了我国主要树种（落叶松、桦木、杨木等）的重组木性能指标。随后，重点探讨了木束形态、施胶量和端面结构对沙柳重组木性能的影响，结果表明，由碾压3～4次获得的木束压制的重组木的物理力学性能较好；当木束层平行组坯时，其横纤维方向的干缩率是顺纤维方向的2.27倍；当木束层垂直组坯时干缩率较小、且长宽方向上相近。李奇在沙柳材重组木研究基础上，设计三层结构沙柳重组木作为建筑模板基材，探讨沙柳木束表芯层质量配比、施胶方式以及浸胶工艺参数的影响规律，得出施胶量12%、热压温度160 ℃、热压时间0.9 min/mm时基材的力学性能较好。此外，为提高建筑模板的防水性能及纵横向强度和刚度的差异性，分别在重组木表面覆以单板—酚醛树脂浸渍纸和酚醛树脂浸渍硬质纤维板，优化得出2种增强方式的工艺参数。饰面后的板材达到了混凝土模板施工要求，证实以沙柳材为原料制造饰面沙柳重组混凝土模板在工艺上的可行性。2011年，何建伟以沙柳为原料，水性高分子异氰酸酯胶（API）为胶粘剂制造出无甲醛释放的环保型沙柳重组木，在改进木束碾压分离设备的基础上优化得出，在气干沙柳材冷水浸泡48 h、含水率53.8%、辊压10次条件下可实现沙柳木束的有效分离，最终确定环保型沙柳重组木的优化工艺为施胶量8%、热压温度130 ℃、热压时间0.8 min/mm，重组木各项性能均达到中密度纤维板内饰板国家标准。2013年，李艳芳等在探讨沙柳重组木制造工艺的基础上，首次开展了玻璃纤维和椰壳纤维增强处理沙柳重组木的研究，结果表明：玻璃纤维束的添加比例为7%时，重组木的力学性能与耐水性均有提高；椰壳纤维添加5%时的力学性能除内结合强度外均有提高，但耐水性较椰纤维增强前有所减低，不过材料各项性能均满足LY/T1580-2010《定向刨花板》标准规定的范围要求。此外，李艳芳首次采用无损检测技术对沙柳重组木的动态力学性能进行检测，确立了动力学性能与静态力学性能的相关性，最终确定弯曲振动法为沙柳重组木力学性能的可靠预测方法。
3 沙生灌木基木塑复合材料
木塑复合材料（WPC）是一类新兴起的复合材料，以木材、农作物秸秆等植物纤维为主要原料，同时添加一定量的热塑性材料（聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等），经过模压、挤出、注塑等工艺生产出的板材或型材。木塑复合材料具有塑料和木材的双重性能，具有良好的紫外线光稳定性和着色性、优良的加工性能和可调整性，应用领域广泛。利用沙生灌木资源制造木塑复合材可为沙生灌木资源的开发利用开辟新的途径。
2011年，李奇率先在我国开展了沙柳基木塑复合材料的研究，以沙柳木粉和聚丙烯（PP）为原料，采用热压法制备沙柳∕聚丙烯复合材料，对其力学性能进行相关研究，结果表明，硅烷偶联剂KH550 和玻璃纤维的加入使复合材料的整体力学性能明显提高，当木粉加入量为40%、木粉目数为60目、偶联剂和玻璃纤维加入量分别为5%和15%时，材料最优力学性能达到静曲强度为55.93 MPa，弹性模量为3 400 MPa，拉伸强度为24.83 MPa。此外，李奇以沙柳木粉和废旧高密度聚乙烯（HDPE）为原料，采用模压法制备了木塑复合材料，考察了沙柳木粉、硅烷偶联剂KH550和抗氧化剂对材料力学性能、热稳定性能和动态热力学性能的影响，研究表明：沙柳木粉的增加对复合材料的动态热机械性能有积极的影响，抗热氧老化性能显著增强，阻燃性能小幅提升，但对热稳定性有负面影响；硅烷偶联剂KH550的引入使材料的抗热氧老化性能降低；抗氧化剂1010的加入导致力学性能先上升后下降，抗热氧老化性能显著增强，阻燃性能则略有下降，抗氧化剂用量在0.2%～0.3%时，动态热机械性能较高。高峰以沙柳刨花和聚乙烯（PE）为原料，采用热压法制备木塑复合材，利用扫描电镜观察复合材料界面微观结构，重点探讨了3种偶联剂种类和偶联剂用量对沙柳材塑料复合板界面相容性的影响，结果表明，在试验研究范围内，偶联剂用量由0增加至6%的过程中，板材的内结合强度明显增大，其中KH550偶联剂的效果最好，制成的沙柳/聚乙烯刨花板的各项物理性能均有明显提高。李伏雨以沙柳木粉和高密度聚乙烯（HDPE）为原料，采用模压法制备木塑复合材，重点研究了抗氧化剂和阻燃剂对材料抗热氧化性和阻燃性能的影响，结果表明，材料抗热氧化性能和阻燃性能均有所提高，在木粉用量45%、抗氧化剂用量0.2%、阻燃剂APP加入量10%的工艺参数时，复合材料在220 ℃条件下加热4 h未发生氧化诱导现象，氧指数为25.2%，接触角为92.5°，复合材料的抗老化作用显著增强。
4 沙生灌木基轻质工程材料
植物纤维发泡材料是借助胶粘剂使植物纤维联接成交联结构基体，利用一定的发泡成型工艺制备的轻质工程材料。其原料来源广泛，包括木材、竹材、废纸、作物秸秆等。因其具有密度低、抗冲击性、保温隔热性及吸音降噪防震等特性，可用于缓冲包装、墙体保温和吸音降噪等领域。近年来，制造环境友好型的植物纤维轻质工程材料用于替代泡沫塑料的研究受到研究者的广泛关注。
2009年，韩望以沙柳纤维和废旧聚丙烯为主要原料，在对沙柳纤维表面进行改性预处理后，添加发泡剂，通过聚合物发泡工艺、人造板热压工艺和无纺织工艺相结合的方式，制造密度为0.3 g/cm3的沙柳基发泡复合材料，结果表明，在最佳制造工艺条件下，复合材料2 h吸水厚度膨胀率为5.32%，静曲强度为2.53 MPa，均优于JISA5905:2003保温隔热墙板要求；复合材料导热系数均小于0.25 W/（m·K），平均吸声系数达到0.5以上，具有良好的保温隔热及吸声性能。王虎军以沙柳纤维为主要原料，基于溶胶凝胶原理并结合机械发泡工艺制备沙柳纤维基轻质工程材料。以密度和压缩应力为指标，获得了材料的最优制备工艺。此外，王虎军以三聚氰胺为增强体，研究了三聚氰胺添加量对沙柳纤维轻质工程材料的密度、压缩应力、化学基团以及热稳定性的影响，结果表明，三聚氰胺的加入能够提高材料的密度、压缩应力和氧指数，同时提高了材料在310 ℃之后的热稳定性以及阻燃性。王海珍以废纸纤维为原料，沙柳纤维为增强体，制造了纤维基轻质工程材料，研究沙柳纤维在0~100%添加量范围内对材料的密度、力学及燃烧性能的影响，结果表明，沙柳纤维的加入提高了材料的机械加工能力，材料密度降低50% 左右，抗压强度提高100%以上，氧指数增加10.8%；当沙柳纤维掺入量在40%~60%时，材料的结构和性能达到最优。贺勤以沙柳木粉为原料，采用溶液聚合法接枝丙烯酸和丙烯酰胺制造高吸水性树脂工程材料，研究丙烯酸和丙烯酰胺单体质量比（丙烯酰胺以1 g计）、丙烯酸中和度、交联剂用量、引发剂用量以及反应温度对材料吸水倍率的影响，结果表明，高吸水树脂的最佳工艺条件为丙烯酸和丙烯酰胺单体质量比为10 g/g，丙烯酸中和度60%，交联剂用量0.03%，引发剂用量0.3%，反应温度60 ℃，树脂材料对蒸馏水的最大吸水倍率为573.8 g/g。
5 沙生灌木基纳米复合材料
纳米材料是指一维处于1~100 nm的材料，具有电阻大、强度高、密度小、传热快等特殊性能。纳米材料可广泛用于制备超微复合材料、催化剂、高力学性能环境、烧结助剂、润滑剂等。此外，沙生灌木中含有丰富的纤维素组分，而纤维素是由微纳尺度的微纳纤丝组成，可以制造出高比强度、高比弹性模量的纳米纤维素材料，具有广阔的应用前景。近年来，研究者在利用沙生灌木资源与纳米材料复合以及利用沙生灌木资源制造纳米纤维素材料等领域开展了一系列研究。
5.1 纳米材料增强沙生灌木材
研究者将沙柳材与纳米材料进行复合制备功能型沙生灌木基纳米复合材料。2011年，张莹以沙柳木粉为原料，与纳米蒙脱土复合制备了插层型沙柳材/蒙脱土纳米复合材料，重点研究了制备工艺及阻燃性能，结果表明，纳米蒙脱土与沙柳材之间以氢键作用或其他化学键结合。当加入纳米蒙脱土的分散浓度范围在3%～5%时，材料为缓慢燃烧材料，纳米蒙脱土在材料中形成一种致密的阻隔炭层，抑制挥发物产生的速度，延缓材料燃烧，具有良好的阻燃效果。但目前该领域的研究还比较少。
5.2 沙生灌木基纳米纤维素材料
研究者先后采用不同工艺方法制备出纳米级纤维素材料，证实了以沙柳为代表的沙生灌木作为木质纳米纤维素原料的可行性。2014年，张彬以沙柳木粉为原料，通过硝酸—乙醇法水解获得沙柳纤维素，随后采用超声波法、干磨法/超声波联合法、湿磨法/超声波联合法制备出直径不超过65 nm的纳米纤丝。盛卫以脱胶后的沙柳纤维为原料，采用硝酸—乙醇法水解获得微晶纤维素，随后溶解在浓度为64%的硫酸中，在45 ℃水浴条件下高速搅拌1 h后，获得平均长度300 nm，平均直径几十纳米，晶度为89.1%的纤维素纳米晶须。目前，以沙生灌木为原料制造纳米纤维素材料的研究刚刚起步，在纤维分离技术上还有待创新。
5.3 沙生灌木基纳米纤维素复合材料
研究者在利用沙柳制造出纳米纤维素材料的基础上，与聚合物或无机纳米材料复合，制备出功能型沙柳纤维素基纳米复合材料。2015年，贺任飞以沙柳为原料，将生物酶处理后的纤维素进行超声波处理，制备出直径在32～64 nm，长度在200～900 nm的纳米纤丝，而后将制备的纳米纤丝与聚乙烯醇（PVA）复合制备PVA纳米复合膜，当纳米纤丝添加量为3%时，PVA复合膜中纳米纤丝分布均匀，纳米复合膜具有较好的热稳定性、耐吸湿性以及拉伸性能。李亚斌在获得纳米级微晶纤维素的基础上，以微晶纤维素为模板，制备介孔二氧化钛纳米材料。重点对沙柳材纤维素的提取工艺和微晶纤维素/二氧化钛复合工艺进行研究，并对复合材料的微观形貌、化学基团、聚集态结构、热稳定性以及光催化性进行了表征，结果表明，在酸性条件下处理180 min，介孔二氧化钛纳米材料对甲基橙催化降解率比羧酸基纤维素高62.9%，比粉状商品二氧化钛的高36.4%，说明该复合材料具有极强的光催化性能。
6 结论与展望
纵观近十几年的研究历程，科研工作者在利用沙生灌木资源制造木质复合材料领域有了长足的发展，取得了诸多有价值的研究成果。虽然一些领域的研究刚刚起步以及一些领域的技术水平不够先进，但这为后续进一步科学利用沙生灌木资源，研发高附加值沙生灌木基木质复合材料奠定了坚实的研究基础。建议在今后的研究中围绕以下几个方面展开：
1）拓宽沙生灌木树种的应用范围。目前的研究多以沙柳为原料，对于柠条（Caragana korshinskii Kom）、杨柴（Hedysarum mongolicum Turez）等产量丰富的灌木材树种的开发利用还较少。应对上述树种开展针对性研究，探究各树种纤维形态、化学组分对木质复合材料产品性能的影响机制及其相互协调影响机制，通过相互增强的方式实现木质复合材料结构与性能的最优化设计。
2）加强沙生灌木基木质复合材料合成机制的研究。目前的研究多以工艺探究为主。应针对各类木质复合材料自身的关键技术问题，结合先进的复合材料理论以及仪器分析技术手段，着力加强重组木重组及增强机制、木塑复合材界面结合机制、轻质工程材料发泡（空间空隙结构）机制、纳米材料增强机制以及木质纳米纤维素合成机制等方面的研究。
3）深化沙生灌木基木质复合材料功能多元化的研究。木质复合材料具有天然的环境友好性，在此基础上，应注重木质复合材料在防腐、阻燃、耐水、耐候、吸声降噪、保温隔热、尺寸稳定、生物降解、电磁屏蔽、光致变色、光催化、吸附、缓释、能量储存等方面的新产品和新技术的研发，提升沙生灌木基木质复合材料的附加值，满足多方面的应用需求。
4）推进沙生灌木基木质复合材料制造技术的产业化应用。沙生灌木基传统人造板制造技术在20世纪初已实现产业应用，并为地方经济发展做出重大贡献。在新型沙生灌木基木质复合材料制造技术方面，应将先进的科学技术与实际生产相结合，充分考虑工艺、设备的可操作性及成本的合理性，积极研发满足实际生产的工艺技术。
5）创新沙生灌木资源精细化工产品的研发。沙生灌木资源富含纤维素、半纤维素和木质素等高分子化学组分，是生物质纳米纤维素、生物质活性炭、生物质热解炭以及生物质液化物等精细化工产品的天然原材料。在积极研发沙生灌木基木质复合材料的同时，应结合先进的科学技术手段，加大沙生灌木资源精细化工产品的创新研发力度，进一步拓宽沙生灌木资源的应用领域。
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