新型环保的用材-蜂窝复合材料

发布时间：2018/11/28    查看：7554

 随着我国经济的快速发展，对木质材料的需求也大幅增加，主要集中在建筑、家具、包装和造纸领域。据统计，2003年我国木材进口量约12316万m3，而且依然呈上升趋势。2003年进口原木、锯材、人造板、木浆及纸和纸板耗汇130亿美元左右，折合人民币1000多亿元，是仅次于石油、钢铁的第三大用汇产品。可见木材之短缺。

     蜂窝复合材料应用而生。它是一种新型材料，它质轻、强度大、刚度高，具有缓冲、隔震、保温、隔热和隔音等功能，被广泛应用于建筑业、车船制造业、家具制造、包装和运输业，替代木材、泥土砖和高发泡聚苯乙烯，具有较高的经济价值，并可回收利用；同时可节约大量的森林资源，保护和改善生态环境，是一种符合21世纪发展主题的环保新型材料。

1．蜂窝纸的起源

     科学家发现，蜜蜂所做的六角六面状窝是一个杰作，它以最少的材料消耗，构筑成极为坚固的蜂窝，其结构要比其他任何形状的结构更强有力。因为这种多墙面的排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散承担来自各方的外力，使得蜂窝结构对挤压力的抵抗，比任何圆形或正方形要高得多。科学家对蜂窝结构的研究，给人们的启迪是，即使非常纤薄的材料，只要把它制成蜂窝形状，就能够承受很大的压力。正是受到蜂巢的启发，蜂窝结构材料才开始面世的。  

    蜂窝板一般分金属和非金属两大类。金属类蜂窝板主要适用于飞机制造业、汽轮机制造业、船舶制造业、交通运输业等。非金属类蜂窝板又分纤维类和纸类。纤维类蜂窝板主要用于交通运输业、室内装饰业以及家具业等；纸类蜂窝板主要用于包装业、建材业、家具业等。包装业用的纸类蜂窝板，即蜂窝纸板，主要用于制作包装箱及运输包装。

2. 蜂窝纸芯的成型理论

     蜂窝纸芯的成型原理，可以通过一个简单的小试验进行说明。首先在一张纸条的一侧沿纸条长度的垂直方向上涂上节距（T）、宽度（B）、相等的若干条胶线，而且节距是胶线宽度的4倍，T="4B，同样我们在另一条纸条上也涂上相同的胶线，然后将两条纸条错位复合，就可以形成一个正六边形的蜂窝结构。

     至于错位粘胶复合，就是将第二条纸的胶线准确的粘胶在第一条纸条两条胶线间距的正中位置的反面（如图1）,当若干条纸条依次这样粘接时，把纸条横向拉开至均匀，这样若干个正六边形就形成了。  

     当改变胶线的宽度和节距时（T≠4B），蜂窝就会变成其他形状的蜂窝。当孔径即蜂窝的内切圆直径改变时，可以获得不同型号的蜂窝纸芯。在实际的生产过程中，一半大蜂窝孔径的纸芯容易拉伸，生产的速度也可以提高，但强度较低。一般在蜂窝托盘生产中，采用B型（内径为15mm）和C型（内径为20mm）的蜂窝纸芯，在家具中多使用B型（内径为15mm）。

3． 蜂窝复合材料的应用现状

3.1 在航天上的率先使用

 蜂窝结构材料起源于仿生学，并最早用于航空航天领域，它是应航空航天科技的特殊需要而发展起来的一种超轻型的复合材料。从上世纪30年代最早的用于制造飞机的夹层结构的六角型铝蜂窝芯，到70年代美国波音公司的Boeing747飞机率先使用非金属的蜂窝复合板作为飞机的地板，到如今，蜂窝复合材料已在飞机、火箭及太空飞船等航空航天器上得到广泛的使用。

3.2 蜂窝复合材料在建筑和家具上的应用

3.2.1 在建筑上的使用

     在民用方面，蜂窝复合板材是由很薄的人造板、纸板与再生纸蜂窝芯粘结制成的复合板材。它非常适合作夹层材料，如蜂窝材料复合轻质墙体，蜂窝芯材仅占实心材料的1～5%左右。例如已研制出来的专利产品–QD-SXZ蜂窝石膏板（专利号ZL002164000，获上海市科技成果奖。），是一种轻质、保温、隔热、隔音、阻燃、无毒易安装的新型建筑装潢材料，在建筑、装潢、仓储、运输、交通、农业、影视道具等领域里都能得到广泛的运用。在西方，蜂窝复合板材在建筑领域已形成了一系列的规范，成为一类性能优良、结构简单独特、节省资源和能源的重要新兴材料。

3.2.2 在家具上的使用

     在家具制造业推广使用蜂窝复合材料，将会大大减少木材的使用量，而且能改善人造板变形的缺陷。以20毫米厚度的板材为例，如果使用2.5mm的中纤板为面板制成蜂窝复合板，材料的用量和重量仅为实心中纤板的1/4左右；而复合板的成本却只有实心板的1/2左右，并且，复合板具有重量轻，不易变形，运输方便等优点。因而，在欧洲，80％以上的内房门为蜂窝复合门，大多数20 mm厚度以上的家具板材为蜂窝复合板。

     蜂窝复合板非常适合应用于板式家具。例如，可用于厚度大于18mm的旁板、面板、顶板、隔板、底板、门板、隔断以及一些装饰件。越厚的板材则更能显示出蜂窝材料的优越性；厚板还具有良好的抗弯特性，用于餐桌、茶几、电视柜等。甚至还有家具生产厂家将其用于制造家具的支撑腿，可见其应用的广泛性。

     目前，仅在广东地区，家具企业使用蜂窝纸芯的就已超过200家，国内许多著名的家具企业，如富运、迪信、海沃氏、霍曼、万利宝、皇朝、富玮、大富豪、高帆、天诚、新南天、浙江的富得宝和四川的全友等，都已使用蜂窝纸芯制作一部分家具零部件；其他的还包括一些IKEA的OEM厂。但相对于整个家具行业而言，使用蜂窝纸芯生产家具的企业还是很少，还有很大的市场有待开发。

     在香港市场，使用优质蜂窝材料复合成高档板材，制成的高档家具十分畅销，用户称之为“飞机木”。在日本市场，家庭主妇则十分欣赏蜂窝家具的轻巧，众多日本客商明确提出要购买蜂窝家具。

3.2.3在家具上应用的新技术

     传统上在家具制造中使用蜂窝板都采用有框架蜂窝板，然而在2005年5月德国汉诺威展览会上，德国IMA依马公司首次展出了多年的研制成果––轻质无框架蜂窝板封边机，它使一种新的高效低成本的轻质无框架蜂窝板封边工艺成为可能，在利用纸质蜂窝材料制造家具方面开创了新的思路、方法和前景，它使蜂窝纸制造家具可以实现产业化、工业化和自动化。

     新型轻质无框架蜂窝板的制造工艺是一种工业化的生产过程。它采用大板（4′×8′，即1220mm×2440mm）的制造工艺，即先做无框架大板蜂窝板。具体做法如下：将2张4′×8′的3mm厚的高密度板经过布胶之后，中间夹上经过拉伸处理的4′×8′的蜂窝纸。然后将这种已组好胚的4′×8′三层大板送入热压机里热压，热压之后采用电子开料锯或裁板机进行锯切达到所需要的尺寸。这种轻质无框架蜂窝板，四周没有框架，经过德国依马公司生产的无框架蜂窝板封边机进行支撑边条和装饰边条的封边，就形成了各种规格的家具板件。  

     新型轻质无框架蜂窝板与有框架蜂窝板工艺相比具有很多优越性。有框架的制造工艺复杂，很大程度上依靠人工，并且受框架精准度的影响质量不够稳定，并且这种工艺难以大批量生产形成工业化生产规模。而无框的新工艺可以大批量、机械化生产出所需的不同规格的家具板件。并且这种蜂窝板具有与同样厚度的刨花板相同的抗压强度和抗破碎性能。  

     新型轻质无框架蜂窝板在欧洲的面世和普及使用，也将会对中国家具行业产生影响。家具生产中所需不同厚度的家具部件，可以通过选用不同厚度的蜂窝纸制成不同厚度的轻质无框架蜂窝板大板，然后经过开料裁制成所需要的各种尺寸的板坯。最后这些无框架蜂窝板经过德国IMA公司的无框架蜂窝板封边机进行封边加工，即可得到各种规格的家具部件。这种工艺不仅大大减轻了厚板件家具部件的重量，同时大大减化工艺流程，使厚板件家具部件的制造成本大大降低。可以预见，中国家具业也将出现更多的新型轻质无框架蜂窝板的身影。  

3.3 在包装领域的应用

     在包装领域，蜂窝纸板作为一种结构优良、价廉物美的新型环保包装材料，与瓦楞纸板、木材和塑料相比，有不可替代的优势，正被用于替代木制包装材料和EPS泡沫塑料缓冲材料。它以纸代木，一吨蜂窝纸板可代替30～50立方米的木材，而成本则只有木材的三分之一。它具体应用于：板的蜂窝夹芯结构使其缓冲性能优于瓦楞纸板，可采用全面缓冲或局部缓冲的形式来保护内装物。  

      托盘和包装箱。它制作的蜂窝复合托盘（卡板）和蜂窝包装箱，具有不用熏蒸、不用消毒、不必热处理烘干、不需国家动植检出具熏蒸证明、不受进出口国海关特别检查和限制的特点，可以顺利随货出口，属国际通行的绿色环保产品。蜂窝托盘和包装箱除有出口免检的好处外，兼具缓冲性好、板面平整、质优价廉的特点，其外观和性能都大大优于传统的天然木质托盘、木包装箱和EPS泡沫内衬垫等包装材料。全纸型托盘可以承受500KG载荷，复合型托盘可以承载1000-1500KG的重物。它可作普通平托盘和单面托盘外，还可制成立柱式托盘结构。象瓦楞纸箱一样，蜂窝纸板可加工成纸箱，但一般只能用较薄的蜂窝纸板来做纸箱。  

     角撑、护棱等附件。与缓冲衬垫类似，蜂窝纸板可用作运输包装件的角撑与护棱，这特别适合于集合包装，起保护作用，减少碰撞与摩擦，降低破损。  

     目前，蜂窝纸板还用于制成“卫生棺”，包装遗体后一起火化，主要供应香港、深圳市场，现在大连等城市也开始使用“卫生棺”。

4.前景分析

     从体积上讲，小如电子产品的微型马达，大至飞机发动机等大型机电产品；从重量而言，轻如几百克的蜂窝移动电话，大到几吨重的汽车零部件均能适用，已经显示出其它包装材料无可比拟的巨大优越性。正是由于蜂窝纸板的众多优点，尤其是在价格和环保上的优势，正日益得到世界各国政府的鼓励和支持，在推广和应用上已出现了令人鼓舞的局面，具有极为广阔的产业化市场前景。

     在我国，蜂窝材料也日益受到国家有关部门的重视和扶持，成为近几年来在高新技术方面的投资热点，其中全自动蜂窝纸板生产成套设备被列入1999年《当前国家优先发展的高技术产业重点领域指南（目录）》的136项，而蜂窝纸板在2000年４月又被国家计委确定为近期新材料高技术产业化的工作重点，其产业化趋势非常明朗。其优势体现在以下几方面：

     蜂窝纸板是一种深受重视，值得推广的包装材料。它顺应了国家产业政策。包装是消耗木材的大户，代木包装是国家的产业政策。估计2000年全国蜂窝纸板的生产能力约为年产蜂窝纸板300万平方米。些蜂窝纸大约50％用于建材（如门板）、50％用于生产托盘、包装箱和卫生棺。在《出口货物代木包装指导目录》中，蜂窝纸板成为代木首选材料，它不仅能节约木材，更主要是打破美、加、欧盟等对我国贸易所设置的障碍。  

     蜂窝复合材料顺应价格规律。今年，木材价格直线上升，所有与木材有关的行业都受到影响，如家具行业，造纸业和包装业等。近年来，非洲、南美洲、东南亚国家都开始控制森林采伐量，出口减少，消费需求量并没有减少反而增加，导致进口木材价格不断上升。用木材包装不再是低成本，改用其他更经济的材料势在必然。蜂窝纸板结构科学合理，成本较低，符合价格规律。  

     蜂窝复合材料符合保护环境和可持续发展的需要。消除白色污染已成为当前保护环境的重要课题，而运输包装所大量应用的EPS缓冲衬垫，已成为日益严重的白色污染源。《蒙特利尔议定书》和《维也纳宣言》(我国均为签字国)规定，将在2005年实现消除EPS污染的目标。蜂窝纸板具有优良的缓冲性能，并可回收利用，是取代EPS的理想材料，符合保护环境和可持续发展的总体方针。

5.结束语

     我国木材资源贫乏，却是木材消费大国。节约木材，大力发展替代木材的其他环保材料，对我国的经济和环境的可持续发展尤为重要。然而，我国是在八十年代后期，才开始进行蜂窝制品的研制，比国外滞后了40多年。为了缩小与国外的差距，国家应尽快制定有关蜂窝复合材料及其产品的相关法规，出台优惠政策，投入资金大力扶持蜂窝纸产业，帮助企业研究和生产出适合各种需求的专业蜂窝纸产品，并扶持和完善它的技术服务和推广体系，利用媒体，大力宣传和倡导蜂窝纸材料的优越性和它的各种应用，加速它在家具、建筑以及包装上的推广和普及，从而尽快缓解木材资源匮乏给国家经济带来的压力。