CN102114654A - 一种人造木材和一种人造木材的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种人造木材，其目的功能是将碳牢固的固定，难于分解，能够达到永久固碳效果，成为打造新的地球碳库的物质基础；另外因为从表面看，其与一般硬木无异，纹理自然，在不解释情况下几乎不能断定是人造复合材料；其资源性和能源性利用途径是应对全球气候变暖的一种选择。

Description

一种人造木材和一种人造木材的制造方法

【技术领域】

本发明涉及环保技术和人造木材加工技术领域。

【背景技术】

全球气候变暖及危害是不争事实，CO2等温室气体的排放是全球气候变暖的主要原因。人类活动是过去50年来全球变暖的罪魁祸首，其中燃烧矿物燃料危害最大，是CO2等温室气体的主要排放源；在目前全球年均碳排放为7.5G吨碳当量里，其中化石燃料燃烧的碳排放大约为6G吨，另外由于毁林及草地开垦引起的碳排放大约为1.5G吨。

在应对全球气候变暖的危机时刻，各国科学家都加强了研究，取得了一定成果，归纳总结有三个技术方案，包括总共15种技术措施，即一，提高能效和节能(包括1、改善燃油经济性，2、减少对小汽车的依赖，3、提高建筑能效，4、提高电厂能效)；二，降低能源的碳含量(包括5、用天然气替代煤炭，6、捕集电厂产生的碳，7、封存氢能电厂产生的碳，8、封存合成燃料电厂产生的碳，9、核聚变，10、风力发电，11、光伏发电，12、可持续的氢能，13、生物燃料)；三，开发利用自然碳汇(包括14、森林管理，15、农业土地管理)。

这些成果主要集中在“减排”方面，目标是将大气中温室气体浓度稳定在450-550ppm之间，并且需要30-50年的时间努力，尽量将全球气候升温上限控制在2℃内。据联合国政府间气候变化专门委员 会(IPCC，以下简称IPCC)的《第四次气候变化评估报告》指出，大气温室气体浓度2005年为379ppm，远远超过工业革命前的280ppm，报告预计未来20年每10年全球平均增温0.2摄氏度，如温室气体排放稳定在2000年水平，每10年仍会继续增温0.1摄氏度；如以等于或高于当前速率继续排放，本世纪将增温1.1-6.4摄氏度，海平面将上升0.18-0.59米；这种以变暖为主要特征的气候变化对全球的社会经济发展产生着深刻影响；气候变暖导致了水资源短缺，加剧了土壤侵蚀，恶化了地区干旱，扰动了种植周期，破坏了生态平衡，传播了新型疾病，危害了人类健康，不仅影响全球社会经济的可持续发展，而且直接影响到人类的生存，成为当前人类社会共同面临的危机和挑战。

所以，现有技术中的“减排”其意义无法改变大气CO2上升的方向，只是能够缓解大气CO2上升的幅度，气候变暖的危机无法根本解决。即使是如此，也存在着实施上的瓶颈，尤其是在成本和技术转让方面，哥本哈根会议就是为了突破这些瓶颈而做的努力；另外，对于全球2℃的升温上限目前显然没有更深刻的评估：假定全球温室气体浓度稳定在今天的水平，事实上，起码忽视了地球上对气候变化最为敏感的触须，即南极、北极和青藏高原，冰川已经开始溶化，冰川下的碳汇更不容忽视，沿海地区的淹没，人类或许可以面对，如果冰川下的土壤碳汇转为碳源，将是不可逆转的毁灭。

较之目前人们在“减排”方面的巨大努力，在“增汇”方面，也触及了加强森林管理和农业土地管理，在2007年的巴厘岛国际气候 变化大会上更是明确地把森林问题作为一个主题纳入气候谈判，2008年的波兹南会议重点对适应基金、技术转让、减少森林砍伐和避免森林退化等方面展开谈判，尽管进展缓慢。

森林碳汇是指森林从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制，它主要包括了森林植被碳汇和森林土壤碳汇，森林植被通过光合作用吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被中，从而减少二氧化碳在大气中的浓度，森林土壤则是吸收并固定了植物的枯枝落叶凋落等其它因素所含的碳。森林是陆地生态系统中最大的碳储库，在全球碳循环过程中起着重要作用。2000年IPCC发表的报告显示，全球陆地生态系统碳贮量约为24770亿吨碳，其中植被储存的碳约占20％，土壤储存的碳约占80％。就森林对储存碳的贡献而言，森林面积占全球陆地面积的27.6％，森林植被的碳贮量约占全球植被的77％，森林土壤的碳贮量约占全球土壤的39％。据此，计算出目前的地球森林生态碳储水平是：森林植被碳储量为381.5G吨C当量，森林土壤碳储量为772.8G吨C当量；由此证实，森林土壤碳储量比森林植被碳储量大的多，目前的平均水平是在2倍以上。森林土壤碳储量的巨大，森林土壤有机碳库的轻微变化将直接影响大气CO2的浓度。

IPCC(2000)的报告同时指出，就全球而言，森林光合和呼吸作用与大气之间的年碳交换量高达陆地生态系统总量的90％，森林植被每年从大气中吸收(GPP)约120G吨的碳当量，其中植物呼吸返回大气约60G吨碳当量。在余下的约60G吨的净初级生产(NPP)中，约50G吨通过土壤和死有机植物残体的异养呼吸(分解作用)返回大气， 形成了每年约10G吨的净生态系统生产量(NEP)，这其中又有约9G吨通过干扰排放进入大气。因此，每年的净碳交换量(NBP)约1G吨。

但是，森林除了其碳汇的特性以外，还具有碳源的特性。就全球森林作为一个系统分析，现实的情况是森林是碳源。其表现为，由于毁林行为导致了被砍伐森林植被的碳汇功能丧失，尤其是引起被砍伐地森林土壤的巨大碳储量向大气转移。IPCC的数据证明平均每年在2G吨碳当量以上，远大于森林植被每年的净碳交换量，现实情景下，森林是碳源。据IPCC估计，1850-1998年间，由于土地利用变化引起的全球碳排放(136±55)G吨，其中87％是由毁林引起的，13％是由草地开垦造成的。而同期化石燃料燃烧和水泥生产的碳排放量为(270±30)G吨(联合国粮农组织，2001年)。在20世纪80和90年代，以热带地区毁林为主的土地利用变化引起的年碳排放量分别为(1.7±0.8)G吨和(1.6±0.8)G吨，分别占化石燃料燃烧排放量的31％和25％(联合国粮农组织，2001年)。毁林已成为仅次于化石燃料燃烧的大气CO2排放源，毁林指的是森林树木被砍伐，使其林木的冠层覆盖度长期降低到一定的阈值以下，或者是森林树木被全部砍伐，森林土地或转变为其它土地利用，森林覆盖完全消失。

森林碳“汇”与森林碳“源”的矛盾统一，即其碳汇或碳源的功能发挥方向和作用结果的大小，完全取决于人类对森林的经营活动。

人类对森林的经营活动，有原始的薪材利用和传统的结构锯材及工业用材利用，还有个别国家已树立的接近自然状态的以生态系统为主体的现代林业利用方式。个别国家以生态系统为主体的现代林业利 用方式的建立，从其发展历程分析，在观念层面，经历了以“满足人类自我为中心的森林利用推进派”和以“生态系统为中心的环境保护派”的长期争论和反思，最后逐步向公共参与型的接近自然状态的以生态系统为主体的广义新林业方向转化，在政策层面上，当初都采取了推进木材生产集约化的政策，后来因为环境保护运动的高涨等原因，林业政策逐步转化为向日益强化环保限制方面的对应。而大多数国家，原始的薪材利用方式和传统的结构锯材及工业用材利用方式将会继续延续，一方面，因为人口的增长与惯性以及购买力的增长原因，世界木材产品需求将不断加大。另一方面，许多发展中国家，最显著为非洲国家和南美洲国家，为了发展经济，就会不断加大对森林的采伐，扩大林产品生产和出口。

由此可见，不管在以前还是将来，人类对木材产品的需求及其为之产生的经济活动，是毁林行为的根本原因，经济利益是驱动器。包括由于毁林引起的土地利用方式，从经济活动行为分析，由于林木生长的长周期，按照常规，一株树木从种植、幼年、中年到老年，要经过十几年、几十年到上百年，而毁林产生的森林生物量减少在相当时期内无法得以恢复，无法得到经济效益，是以土地利用方式的改变成为可能，并随着经济活动的持续这种可能还将持续。

世界人口的巨大增长和惯性，是需求的刚性基数；购买力的增长，要求有更多的资源和能源来满足需求，这是全球气候变暖难以遏止的根源。就如同人类的需求目前无法消除对煤、石油、天然气能源的依赖一样，人类对森林木材资源的依赖目前也是从根本上无法消除。据 联合国粮农组织的评估报告指出，2004年，全球工业原木的生产量为16亿立方米，薪材消费量为19亿立方米；19世纪初，地球上的森林面积有55亿公顷，1980年减少到43.2亿公顷，1990年为39.6亿公顷，2000年世界天然林面积为37亿公顷。森林碳汇成为森林碳源问题的解决，限制人口及其收入显然是做不到的，加强森林管理的作用有限。

近二十年以来，世界上人工造林的面积得到了很大地发展，这不仅是因为森林的过度采伐导致了可供木材的减少，需要增加人工林的木材生产，另外，出于防风固沙等环境保护的需要，人工防护林营建也在日益扩大。由于人工林经营能够转变土地的退化过程，增强对大气CO2的吸收，已成为缓解全球气候变暖的一项有效措施。许多欧美国家已将大面积的弃耕农地恢复森林植被，中国更是在最近几年大力发展了人工林，成为世界上人工林面积最多的国家。就全球范围而言，扩大人工林面积，提高人工林的经营和管理水平，将可能显著增强陆地生态系统的碳汇功能，减缓全球气候变暖。

人工林的碳汇功能主要表现在三个方面，首先，植树造林增加了森林植被的覆盖面积，并通过光合固定将大气中的碳吸收储存起来，增加了地上部分的碳储量，增强了生态系统的碳汇功能。其次，人工林与草地或农田相比，林地表面可以积累更多的凋落物，可以部分抵消地表碳的损失，对土壤-大气系统的CO2平衡发挥重要作用。此外，人工林土壤碳库也因其具有较大的库容量，且土壤碳周转速率慢，受各种干扰影响小，能维持较长时间的碳储藏，从而对人工林生态系统 的碳汇功能产生重要影响。

人工林的碳汇功能与天然森林的碳汇功能比较，有以下显著的不同：第一，在立地单位面积相同条件下，人工林地上部分的木本生物量碳汇能力较天然森林系统地上木本的生物量碳汇能力高，并且高出许多。长期的实践证明，由于人工林经营的技术含量较高，与一般的天然林分相比，目前其生长量可高出4-5倍以上。显然，人工林的木材供给能力是巨大的。第二，人工林的林分土壤碳汇能力比森林土壤碳汇小，表现在碳的储藏量小、维持时间短及周转速率快。除了以生态经营为目的的防护林建设以外，大部分的人工林经营都是以生物量产出最大为目的，经营方法常用整地、施肥、除草、间伐等，不同于天然森林的自然生长，一般人工林轮伐期在5-50年内，采伐的频率比天然森林高的多，过多的干扰改变了人工林的结构和土壤水热条件，引起有机质分解速率、土壤呼吸速率及根系分布的变化，而且裸露的土壤会加剧土壤的侵蚀和土壤有机质的淋溶作用，进而影响林地土壤碳源。另外，一般人工林的建设多选择采运方便的地域，很多人工林的经营方式是为掠夺式的，枝桠材甚至落叶都会被作为薪材或人造板原料利用，这就更突出了人工林土壤碳汇的不足。第三，人工林的林木产品碳汇能力也比天然森林林木产品碳汇能力差。人工林的林木产品较森林林木产品来说，生长较快，但材质松软，一般只能用做薪材、纸张材和人造板材，在结构锯材方面很少应用，也因此存在种植的经济效益有限，推动困难。从碳汇的意义分析，人工林的林木产品碳的周转速率快，也因此消除了人工林生物生长量快的碳汇特点， 但也不能否定人工林在种植和产品使用时期，对于应对气候变暖发挥缓解的积极作用。

在过去的几十年里，人工林的实践证明薪碳材、纸张材和人造板工业用材完全可以从人工林中获取，人工林在年生物生长量上的非凡表现完全可以提供薪碳材、纸张材和人造板工业用材这些用途的需求，世界上很多国家如巴西、瑞典、新西兰等国的实践也印证了这一点，在新西兰，18％的人工林解决了它整个国内对森林木材98％的依赖，澳大利亚用不到1％的人工林地解决了其国内50％的木材生产量等。人造板工业使木材的加工过程从单纯改变木材形状发展到改善木材的性质，是随着人工林的发展而发展，反过来也促进了人工林的发展。人造板的三个基本产品为胶合板、刨花板和纤维板，在建筑、家具、复合强化地板、包装等领域广泛使用，替代森林木材锯材在次结构和非结构的许多方面应用，但是，人造板胶层容易老化，长期承载能力差，使用期限比锯材短得多，抗弯和抗拉强度均次于锯材，这些缺点还是因为森林木材资源的日益短缺，人造板的产量还在不断增加；在结构材的应用方面，人造板工业的发展也在不断尝试其在结构材方面的应用，集成材(GLU-LAM)、层积材(LVL)和定向刨花板(OSB)等多年来虽有所发展，但由于性能、价格等原因还不能替代森林木材在结构材方面的使用。大量的森林木材还在被砍伐，资源日渐匮乏，价格也逐步上升。在人类社会步入工业革命以后，钢材、水泥和塑料等逐步大量的替代了木材在结构材上的使用，这些高碳材料的使用，一方面由于其高耗能产生大量的温室气体排放，大气温室气体浓度增 加，另一方面这些材料的一些性能还不足能够完全替代森林木材资源在结构材上应用优势。

林产品碳汇是森林碳汇的一种延续，在森林碳汇中有特殊意义。森林树木被砍伐后，生物量中的碳随利用率的大小相应转移到林产品中去。人类对森林木材资源的利用可分为结构锯材利用、纸张材利用、人造板材利用和薪材利用。林产品碳释放到大气的速率和形式(CH4、CO、CO2等)决定于林产品的最终用途。薪材直接用于燃烧，其生物量中的碳，一般会在1-2年内以CO2的形式释放到大气中；纸张中的碳一般能维持3-5年，最终以CO和CH4形式排放到大气；人造板材一般在十年或稍许更长时间；结构锯材则可保留较长时间，十几二十年甚至更长，这主要看产品的最终用途，室外使用与室内使用、潮湿环境与干燥环境使用、使用的维护状况及由于任何原因导致的使用产品更新等都会影响结构材和锯板材最终被腐烂掉导致碳向大气释放；现有技术中也有将结构材进行防腐处理的，防腐木材可以提高木材的使用寿命达几十年，但成本价格过高，另外，从原木到结构锯材直至最终产品的加工过程中，一般会有大约40％--60％的加工剩余废弃物产生，这些废弃物有的会被作为燃料直接燃烧掉，有的会被作为纸张材等被利用，其生物量中的碳也会很快释放到大气中去。所以，从长远来分析，地球上森林林产品碳库储量不会有很大增长。

综上分析，现有技术在应对全球气候变暖问题的“减排”方面、森林“增汇”方面、人工林的推广及应用方面、林产品的碳汇作用方面，存在不足，总结如下：

一，现有技术中的“减排”方案包括十五项技术措施，其意义无法改变大气CO2上升的方向，只是能够缓解大气CO2上升的幅度，气候变暖的危机无法根本解决，即使是如此，也存在着实施上的瓶颈，尤其是在成本和技术转让方面，而气候变暖的速度及危害迫在眉睫。

二，天然森林本该发挥碳汇的最关键作用，但目前是碳源，由于世界人口及购买力的增长，人类对森林木材资源的依赖目前也是从根本上无法消除，最要命的是森林扰动造成了森林碳库碳的释放和土壤碳库巨大的碳储存向大气转移，而森林树木生长较缓慢。

三，人工林虽然能够有效缓解天然森林木材供应的不足，从理论上讲，它完全可替代天然森林在薪材、纸张材和人造板材三大方面的利用，但是在替代天然森林在结构锯材是应用上存在明显不足，使人类对天然森林的木材资源性利用还将持续，森林扰动造成了森林碳汇损失还将继续。并且，就目前而言，人工林由于用途的局限，使其种植的经济效益不高，对于投资推动人工林的种植有负面影响。

四，林产品碳汇是森林碳汇的一种延续，在森林碳汇中有特殊意义。森林树木被砍伐后，生物量中的碳随利用率的大小相应转移到林产品中去，由于林产品的使用期限和有机物的分解性能，其所含的碳也会释放到大气中去，从长远来分析，地球上森林林产品碳库储量不会有很大增长。

【发明内容】

本发明的目的在于克服以上现有技术在应对全球气候变暖问题的“减排”方面、森林“增汇”方面、人工林的推广及应用方面、林 产品的碳汇作用方面的不足，经过了七年的实验和理论研究，终获成功，提供了一种不易分解的高含碳性复合材料，其每立方米含碳量达到0.5tC当量以上，上限可达到每立方米含碳量0.8tC当量，并且所述复合材料不易被自然环境分解。由于其发明的目的功能是将碳牢固的固定，难于分解，能够达到永久固碳效果，成为打造新的地球碳库的物质基础，使地球上这个碳库的储量随着生产量的增加逐渐累加增长，并由于其资源性利用和能源性利用，这个碳库的储量将有极大的增长空间，而且具备碳的稳定性和可控性特点；其资源性利用即在结构材上的应用，完全可替代森林木材在此方面的应用，并且可替代大量水泥钢材等在结构上的应用，由此期待结合人工林树木可以完全提供薪碳材、纸张材和人造板工业用材这些用途的现实，实现人工林树木还可以完全替代森林木材在结构上的应用，那么，从理论上分析，人类可以完全结束对天然森林木材资源的依赖，可使森林扰动减少，天然森林可以休养生息，逐渐向原始林方向自然演潜，森林可实现其应有的碳汇功能。另外因为从表面看，其与一般硬木无异，纹理自然，在不解释情况下几乎不能断定是人造复合材料，故将其定义为固碳木。

本发明固碳木的实验样品经锯切成15mm厚板材根据标准GB/T18103-2000在国家林业局木材检测中心检测，得固碳木的力学等性能：其静曲强度为148MPa，弹性模量为16000MPa，密度为1.25g/cm³，内结合强度为3.14 MPa，游离醛释放量为0.1mg/L。而对比天然木材的静曲强度是50--90MPa，弹性模量是6000--10000MPa，人造板中密度板的静曲强度是30--40MPa，弹性模量是3000--3800MPa， 刨花板的静曲强度是10--25MPa，弹性模量是1000--3500MPa，OSB的静曲强度是20--40MPa，弹性模量是4000--7000MPa，优越的物理力学性能结合其制成品的规格尺寸可以根据需要设计，固碳木为长方体材料，在长度、宽度和厚度上，其分别能够满足的范围是500-10000mm、100-2000mm和15-200mm，其在结构材方面的应用范围极广。

固碳木复合材料在结构材上的应用，可以替代森林木材、钢材、水泥和塑料等在结构材上的应用：

主要是在木结构建筑中的应用，现代木结构建筑有诸多优势特点，如自然环保、舒适健康、节能、抗震、经久耐用、建设周期短、得房率高、安装成本低、拆卸搬迁方便、冬暖夏凉等，在世界各地被广泛使用，既有单家独体和联体式别墅，又有多层多户的公寓楼，还有低层商业建筑和公共建筑。目前，在北美，木结构住宅处于市场的主导地位，美国每年建造100多万栋房屋，其中70％用木材建造；芬兰几乎约90％以上的单户住宅和郊外房屋都为框架结构的木房屋。在德国、瑞士、法国、英国等西欧国家，也在组织大规模生产木结构房屋，所建房屋多半在小城市，在这些国家，以前只允许建造1层和2层的木结构房屋，现在欧洲标准规定，工业生产的木结构房屋可以建成多层。在亚洲的日本，新建的住宅房屋有半数以上是木结构；在中国，古代建筑数千年来始终以木料为主要构材，并形成成熟的木结构体系而为世界瞩目，到了上世纪80年代，可用于结构的木材基本采伐殆尽，并且当时无足够外汇进口优质结构用木材，以致停止使用木结构，并且大专院校也停开了木结构课程和培养研究生，木结构无形 在中国消亡长达二十多年。随着中国经济的快速增长，进口木结构房屋已逐渐进入一些主要消费城市，绿色住宅的先进理念已悄然兴起，越来越受到人们的关注和青睐，随着中国的城市化进程和小城镇建设，木结构房屋有极大的市场空间。在非洲等广大的发展中国家，客观上一方面由于木结构房屋的冬暖夏凉、成本相对低原因，另一方面由于钢材水泥行业的滞后发展，木结构房屋的选择无疑是首选。木结构建筑分原木结构、梁柱式木结构和框架式木结构三大体系，木产品在这些建筑构造中有着大量的运用，既用在梁、托梁和柱等主要结构单元上，也用在屋顶、墙体、地板和门窗等次要结构元素上，森林木材作为原生的建筑材料，其规格和强度都受到原木大小和材质的制约，木节、斜纹、裂缝等缺陷也影响其使用强度，截面尺寸受天然生长的限制，另外，易腐朽、易虫蛀，并且易燃，虽然通过现有的技术可以改善一些森林木材的缺陷，但由此产生的是成本的进一步升高，因而在结构中的应用受到限制；而且森林木材日益匮乏和价格不断上涨，单纯的采用森林木材进行大规模的建造木结构建筑是行不通的，事实上，人们为此一直不懈地努力，木材工业有了很大地发展，一些人造结构材产品如集成材(GLU-LAM)、层积材(LVL)和定向刨花板(OSB)等的出现，为木结构建筑的可持续发展奠定了一个很好的基础，已经在相当程度上替代了森林木材的使用，但由于性能、价格等原因还不能足以替代森林木材在结构材方面的使用。据不完全统计，人造板用于建筑的比例美国为40％-60％，加拿大为40％-45％，日本为30％-50％，中国为26％，这些数据包含了用于装修材料的。

固碳木的成本优势和性能在产品用途方面的优势使其具有很强的竞争力，完全是可以成为替代森林木材在锯板材结构材方面的应用。在成本方面，原材料之一植物纤维增强体可选用速生木材，而且可以使用小径级的材料，也可选用灌木资源，这与目前纸张材的原材料相类似，成本较低，原材料之二是替代果胶作用的高分子物质，它在材料中的质量比不大，只占8％左右，而在生产成本方面，因为其工艺比较传统人造板如纤维板的制造相对简单，少了两个工序，故在能耗和用工上也少了许多，固碳木的成本比较目前在结构材方面发展较快的定向刨花板(OSB)是低得多的。在性能方面，作为实体木材的固碳木在木结构建筑上的应用，在规格尺寸上可以根据需要订制，批量标准化生产，利用率高，从而相对减少了成本，它没有截面限制，防水、防虫和抗腐的性能在木结构建筑的使用上会起到减少维护延长使用寿命，固碳木阻燃的性能十分关键，在现代木结构建筑的使用中，即使没有石膏等无机建材包裹，也极其不易燃烧，当建筑物由于其它原因引起火灾，钢材会在火中很快软化，水泥结构也会掉落坍塌，而固碳木则会在表面形成焦碳层保护其内部材料强度和结构的完整性；固碳木革命性的设计理念保留了木材纹理的自然美观，在力学方面的卓越性能，使其完全可以替代天然木材和其它人造结构材在木结构建筑上的应用。木结构建筑的大量使用，可使钢材水泥结构的建筑相应大量减少。

此外，固碳木可以在铁路枕木和车辆箱体结构上得到应用，自有铁路以来，木枕就是轨枕的主要类型，制作木枕须选用坚韧而富有弹 性的木材，木枕具有弹性好、易于加工、使用方便等优点。但是，还是由于木材资源的匮乏等原因在很多国家逐渐被混凝土枕取代。每万公里大致需要350万立方的木枕需求，这个需求量是巨大的，固碳木卓越的弹性和强度以及它的防腐性能，将会满足这个需求，对于与混凝土枕的竞争性而言，如不去计较每万公里铁路建设350万立方的钢材和水泥产生的能耗及CO2排放，光是考虑其集中便于回收的特点，在更新后的能源发电利用价值，在成本上具有很大的竞争力。固碳木还可在矿产开采行业上主要是坑道坑木上得到应用，以采煤为例，一般万吨煤耗坑木约为200立方米，需求量也是巨大，而由于坑木木材的材质问题引起的安全事故频发，在许多地方已采取了以钢代木的措施，安全事故的发生会导致采煤成本急剧上升，以钢代木的成本也很大，固碳木在力学性能上的优势和成本优势将会是在坑木上的竞争优势。同样，包装行业和家居装修行业的木材需求也是巨大，固碳木在包装行业的竞争优势有承重力强、防潮、防蛀、抗腐等，由于其生产的工艺因素，在出口包装上应该无须烟熏；在家居装修行业，其竞争力优势还主要有近乎为零的游离甲醛释放量和材料的阻燃性能等等。

固碳木替代钢材水泥等高能耗材料的应用，在“减排”方面的意义是直接减少了人类对钢材水泥等高能耗材料的需求，与现有技术中的“减排”方案包括十五项技术措施相比，“减排”的措施更为直接；固碳木替代天然森林木材资源在结构材上的应用，可以减少人类对天然森林的扰动，天然森林的“增汇”能力将得到显著提高；固碳木复合材料可选用人工林速生木材，而且可以使用小径级 的材料作为其植物纤维增强体的使用，对于提高人工林的利用范围、增加人工林的种植效益以及推动人工林的种植面积有积极意义，人工林也将发挥更大的“增汇”贡献；固碳木复合材料产品，其发明的目的功能就是为了将碳牢固的固定，难于分解，能够达到永久固碳效果，植物纤维成为材料增强体的首选，复合材料在制造完成后，其所含的碳不会被自然环境分解释放到大气中去，突破了现有技术中林产品经过使用更新后会马上分解释放到大气中去的特点，从长远来分析，地球上固碳木复合材料产品碳库储量将逐渐累加增长，完成一个巨大的碳库，这个碳库的碳是从大气中迁移过来的。

为了达到应对全球气候变暖问题，克服现有技术的不足目的，本发明采用的三个相关技术方案是：

1，大气CO2的转移和固碳木的资源性利用(如附图1所示)。

植物通过光合作用来吸收大气中的CO2，并将能量以生物量形式保存，这是自然法则。植物纤维原料来源广泛，再生能力强，本发明特别提倡以短周期轮伐的速生林木材作为固碳木的纤维增强体。

短周期速生林是基因科学发展的成果，其最大的特点是生物生长量快，是大气CO2的转移最便捷的吸收器，可以大规模农业化种植，并且可以在不占用森林土地条件下在农地、行道旁、水系堤岸等非林地种植。短周期速生林首先是在美国兴起，1970年开始美国、加拿大、法国、德国、前苏联等国先后对杨树、桉树、悬铃木等20多个树种进行短轮伐期栽培技术的研究，多年的实践已经取得丰硕的成果，一些品种的种植年生物增长量每公顷多在20-30立方米以上， 有的甚至超过50立方米，中国在上世纪80年代以来，经过20多年的研究，培育了中林北京2000系列杨、107杨、108杨、三倍体毛白杨等一批杨树新品种，年生物增长量每公顷多在20-30立方米以上。

短周期速生林最大的特点是生物生长量快，但也正因为此，其作物生长应力大，材质相对松软，只可以在薪材、纸浆材和人造板材得到充分的应用，不足以替代森林木材资源在结构材上的应用。过去的实践证明，人类对森林木材资源在薪材、纸浆材和人造板材上的需要，是可以完全从人工林速生林中得到满足。

人类对结构材方面的需求巨大，且还在大量消费着已经存量不多的森林木材，这个量目前每年在5亿立方米以上，自工业革命以来，钢材、水泥和塑料等高耗能材料替代了原本低碳的森林木材，解决了森林木材资源供应的不足，满足了需求，也造就了如今的气候变暖。固碳木复合材料以其显著的力学性能可以在结构材方面广泛得到应用，可以替代森林木材在结构锯材的使用，也可以替代钢材、水泥等在结构上的应用，其资源性利用途径是结束人类对天然森林木材资源利用的关键，从而发挥森林碳汇的关键功能。

2，科技创新成就固碳木的高含碳性和高内结合强度以及其相对疏水、防腐、防蛀、防紫外线等不易被自然环境降解的性能，使固碳木能够在作为资源性材料使用后还能保持碳的稳定性。

①固碳木的高含碳性

固碳木的高含碳性是指固碳木材料的含碳量在每立方米0.5t-0.8t C当量，其碳的分布包含在材料的纤维素分子、木质素分子、树脂分子中，另外还分布在一些功能组分中。

植物纤维的化学成分主要是纤维素(C6H10O5)n、半纤维素(C5H8O4)n和木质素，根据各成分C、H、O元素的原子量和原子个数，得碳元素在各成分中的重量占比，分别为4/9、5/11和86.4％(取碳元素在对羟苯基中的重量比重计)：

以速生木材桉树作为固碳木复合材料的纤维增强体为例，桉树纤维素含量为40.33％、半纤维素含量为20.65％和木质素含量为30.68％，固碳木制造去除了纤维中的半纤维素和果胶成分，理论上实际利用是纤维素和木质素，其含量比例为56.79∶43.21，以实验品检测的固碳木密度1.3g/cm³，含水率6.1％及固碳木的树脂含量重量占比为6％计算：得1立方米固碳木中含碳量为

[1 m³*1.30t/m³*(1-6.1％-6％)]*[56.79％*4/9+43.21％*86.4％]＝0.72tC当量。

以速生木材杨树作为固碳木复合材料的纤维增强体为例，杨树纤维素含量为44.57％、半纤维素含量为21.54％和木质素含量为24.28％，固碳木制造去除了纤维中的半纤维素和果胶成分，理论上实际利用是纤维素和木质素，其含量比例为64.73∶35.27，以实验品检测的固碳木密度1.0g/cm³，含水率6.1％及固碳木的树脂含量重量占比为6％计算：得1立方米固碳木中含碳量为

[1 m³*1.0t/m³*(1-6.1％-6％)]*[64.73％*4/9+35.27％*86.4％]＝0.5207tC当量。

固碳木其固定碳的目的促使固碳木要有高的含碳性能，技术方案中运用较多的综合手段使这成为现实，固碳木的含碳性能以及紧固碳的性能比较现有技术中人造板材每立方米最高不会超过0.3tC当量现实，使其能够作为结构材的资源性利用，并最终可以取代电煤作为能源性利用，本发明将固碳木的含碳量限定在每立方米0.5t-0.8tC当量。

②固碳木的固碳技术方案

高的内结合强度以及其防腐、防蛀、防紫外线等性能是材料不易被自然环境降解的关键，另外其独特的界面设计、亲水基团的减除、内应力的降低设计以及树脂基体的选择设计等的综合应用是牢固锁住碳的必要技术方案。

植物纤维区分为细胞壁和细胞腔，细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，细胞腔内的物质统称为果胶，果胶分布在纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间，也填充在初生壁的一些空隙里面，起到粘接的作用；果胶是含有糖醛酸单元的一种混杂链构成的物质，是一种具有酸性的混杂糖，在稀碱或稀酸中处理即被水解，大分子断裂，极容易除去。半纤维素是纤维素的伴生物之一，分子量较纤维素小，聚合度大约在100-200之间，其化学性质很不稳定，易被无机酸水解，也能在低浓度的稀热碱液中溶解，是分子量较小的亲水性物质，水是材料在使用中最大的破坏因子，是以在固碳木生产中必须去除半纤维素，这一措施的另一好处是使纤维增强体强度得到增加。

本发明突破传统上对于界面的理解，将纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间以及初生壁的一些空隙作为材料纤维增强体界面，将纤维中的果胶和半纤维素除去，在其原来空间替代一种高分子材料(这种高分子材料的结合强度是果胶的数倍，不易分解，还能够加入阻燃和防腐等组分)，以这种高分子物质替代果胶原有的连接作用，并且结合力更强，另外，木材纤维天然的直向排列没有被破坏，保留了纤维原有的力学条件，并且使固碳木保留了木材自然的纹理美观，高分子物质中的功能单元在防水、阻燃、防虫及抗腐上的作用使固碳木更加不易分解。

在传统人造板的设计思想里，认为材料的环境友好性即材料的易降解性能是重要的，而固碳木的设计理念认为材料的不易降解性能更为重要，一方面，碳在材料中的储存可以达到一个较长时期，使碳不易向大气释放，这其实是一个碳库的作用，这个碳库的量是随着固碳木材料生产使用的量越来越多而逐步累积，并且是相当牢固的，这与森林碳库的脆弱性正好形成对比；另一方面，作为一种高含碳物质，其本身有充分的能源利用价值，在使用完成为废弃物后，完全可以用来发电，做到循环利用，并且可以做到在什么时间使其成为能源性物质使用，做到可控。

基于固碳木的设计理念，这种高分子物质成为关键。在传统的树脂基体材料中，由于高分子的分子及分子链大小以及形状与纤维细胞空隙大小形状的匹配等问题，找不到一种能够方便进入纤维细胞腔内和纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间的高分子物质， 经过上千个实验的分析和比对，终于得到了突破，瓶颈突破的技术方案是：一种纤维增强体的制备和利用制备条件在纤维体内生成复合材料的树脂基体。

甲醛和苯酚缩聚分子，其防腐和防蛀性能是显著的，而常用的热固性酚醛树脂催化剂一般是氢氧化钠，氢氧化钠吸水性能极强，在材料的使用过程中材料也因此会水解而破坏胶层，更会在材料表层出现霉菌，本技术方案使用氢氧化钙作为催化剂，有效地解决了这一问题，并且氢氧化钙在速生木材长纤维增强体和甲醛-苯酚预聚物混合物制备加工的增压过程中与CO2发生反应，生成碳酸钙使固碳木含碳量进一步提高；本技术方案纤维增强体选用人工林木材，其本身是多空隙的材料，加上制备中去除了半纤维素和果胶成分，使空隙更大。制备后的纤维增强体是直纹和横纹两种混合交错的条状薄单板，一方面，条状薄单板对厚度的要求是在便于加工的条件下越薄越好，其与混合液接触界面可呈几何级增多，并由于增多了的空隙和增压措施使以将纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间以及初生壁的一些空隙作为材料纤维增强体界面成为可能；另一方面，直纹和横纹两种混合交错，使材料产生纵横两方向内应力消长，也极大提高了材料横向力学性能，并可根据使用需要进行控制。固碳木的高密实性和高内结合强度，如实验品检测报告所示分别为1.25 g/cm³和3.14 MPa，另外在高分子功能单元中所含有的防水、阻燃、防虫及抗腐上的作用原因，赋予了固碳木不易分解的性能，这不同于木材和人造板的易腐、易燃特点，实现了材料在向终端产品加工时形成的剩余物和在终端产品使用完后形成的废弃物不会自然地向大气释放CO2，并最终在现代回收服务的支持下，实现生物质能源的循环利用；而最主要的作用则是：前文分析过速生材作物可以完全满足人类在薪材、纸张材以及人造板材上的需求，可以摆脱人类对于森林木材资源在这些方面的依赖，那 么，加上固碳木在锯材和结构材方面对于森林木材可替代性，从理论上说，将使人类可以彻底摆脱对于森林木材资源的所有依赖，森林就可以实现休养生息，逐步向原始森林方向自然演潜，森林碳汇效益将得到恢复和增大。

3，固碳木的能源利用途径，是固碳木的碳有了可控性。

固碳木在被作为资源性物质材料使用完成为废弃物后，可作为生物质能源用来发电，将化学能转化为热能，其热值主要取决于用于制作固碳木所选用的纤维增强体材料，其发热值认为是在4000Kcal以上，而一般常用的褐煤的发热值在4500Kcal以下。世界上对高热值速生材树种的研究已有多年历史，并已有多项成果，如美国选育出的杨树无性系三个品种“Trichober”、“Ghoy”、“Beaupre”其热值可达4900Kcal-7000Kcal，若选用高热值速生材树种作为固碳木的材料来源，固碳木的生物质能源利用的效益就更大。

固碳木的密度是速生木材的2-3倍，对于其成为废弃物后的回收服务，运输和储存的成本相对较低，对于发电的应用上也提供了很好的条件；与煤发电相比较，对于减少大气中SO2和氮化物的污染，效果是显著的。

能源危机是人类即将面临的巨大挑战，固碳木的生物质能源利用是可持续的一种能源利用方式，可以有效地缓解使用化石能源的压力。当我们有效地应对了全球气候变暖问题，大气中的CO2浓度实现开始下降趋势，每年将会有固碳木资源性材料使用后的更新，这个量是巨大的，在回收服务系统的支持下，可以大部分或完全替代电煤的用量。

为了达到应对全球气候变暖问题，克服现有技术的不足目的，特别是针对林产品固碳效果不佳即碳的周转速率过短以及在结构材方面的力学性能不够方面，本发明固碳木的一种制造方法包含以下生产工序：

(1)原料准备

A、速生木材长纤维增强体的制备

a，直纹速生木材长纤维增强体的制备

如附图2所示，将速生木材用旋切机旋切成厚度在1～10mm的单板，长度要求所旋切用速生木材与所生产固碳木的长度等长L，沿直纹方向剪切，宽度在10～100mm之间，各段宽度可以是不等宽的；所述的直纹速生木材长纤维增强体是条状直纹薄单板。

b，横纹速生木材长纤维增强体的制备

如附图3所示，将速生木材用旋切机旋切成厚度在1～10mm的单板，所旋切用速生木材的长度可以是任何长度，单板垂直于直纹的长度与所生产固碳木的长度等长L，宽度在10～100mm之间，各段宽度可以是不等宽的；所述的横纹速生木材长纤维增强体是条状横纹薄单板。

c，捆扎

如附图4所示，将以上Aa和Ab制成物按长度L方向捆扎，也即直纹和横纹两种材料制备按等长原则混合交错捆扎，根据所生产固碳木的用途对材料横向静曲强度的要求以Ab制成物0-50％的比例与Aa制成物混合捆扎，大小按适宜手搬操作为准；

d，水煮

将以上Ac制成物放置煮锅中水煮1-3小时，水温控制在50-100℃；

e，浸泡

将Ad制成物放置在浓度为1％-18％的稀碱溶液中，浸泡0.5-2小时后取出放置一种生产固碳木用设备主罐体内即可。

B、甲醛-苯酚预聚物的制备

在反应釜里制备甲醛-苯酚预聚物，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶(1.25～2.50)，催化剂为碱性催化剂，所述的碱性催化剂是氢氧化钙，所述的预聚物混合液的反应介质PH值为7-11；所述的甲醛-苯酚预聚物还可以加入阻燃和防腐等组分；将以上所得混合液常温置于储存罐内；

(2)速生木材长纤维增强体和甲醛-苯酚预聚物混合物的制备

一种生产固碳木用设备，其包括主罐体、真空系统、增压系统、加热系统、管道系统和储存罐，在此设备的主罐体内置入Ae制成物，关闭密封门，开启加热系统和真空系统，使Ae物料含水率达6～15％后关闭加热系统和真空系统，开启连接放置甲醛-苯酚预聚物储存罐的阀们，吸入预聚物液体注满主罐体，适当加压5-30分钟后将罐内所余液体包括纤维增强体的沥下液体分次排入储存罐里，开启加热系统，控制保持温度在70℃-100℃间1-5小时(控温需要可适当开启或关闭排空阀门和增压阀门)，再开启真空系统吸取罐体内及纤维内水分等其它游离物至另外储存此物质的储存罐内(留作下一次制备预聚物用水)，使所得速生木材长纤维增强体和热固性酚醛树脂基体混合物含水率达8～15％。

(3)模压、固化和脱模

将以上(2)速生木材长纤维增强体和热固性酚醛树脂基体混合物按所生产固碳木材料密度要求的每模重量放置生产固碳木用压机的侧压推料系统上，所述生产固碳木专用压机包括侧压和正压两个压力系统，除施加压力以外，侧压系统的另一功能是将缩小的物料体积 推进到模具上，正压系统的另一功能还需将压好的体积物料用锁扣锁住，速生木材长纤维增强体和热固性酚醛树脂基体混合物通过压机压制使材料密度达到0.90 g/cm³-1.30g/cm³，在被锁扣锁住模具内完成在固化炉中的固化，固化时间为7-12小时，固化温度最高达135℃后，保持2小时使其完全固化；自然冷却后脱模。

本发明固碳木的积极效果是：

碳是地球生物体中最主要的组成元素之一，也是自然界中一切有机物质的最基本组成元素之一，大气中的CO2是生物体碳元素的主要来源。植物通过光合作用将大气CO2合成有机物质，固定在植物体内，将太阳能固定成化学能，成为今天人类生产和生活的最基本的物质和能量来源，这种在大气圈和生物圈之间的物质和能量转移过程，是全球碳循环的重要组成部分，陆地植被起着关键作用。

如附图5所示，由于大量燃烧矿物燃料，促使矿物碳库大量的碳向大气中转移；由于大量砍伐树木，一方面使森林被砍伐森林植被的碳汇功能丧失，另一方面尤其是引起被砍伐地森林土壤的巨大碳储量向大气转移；由此地球上碳循环发生严重问题，过多的碳集中到大气碳库，引起全球气候变暖问题，这种态势如得不到马上扭转，对人类的不利是毁灭性的。

本发明固碳木充分理解了植物是吸收大气CO2的关键这一自然法则，将植物纤维作为材料的增强体，并特别提倡了近几十年来基因科学成果高生物生长量的速生木材作为材料的纤维增强体，以其能够快速地吸收大气CO2的这一特点，成为固碳木材料的最重要碳原料。固碳木发明的目的功能是将碳牢固的固定，难于分解，能够达到永久 固碳效果，成为打造新的地球碳库的物质基础，本发明颠覆传统的木材加工思路，以材料的不易降解性作为诉求，突破加工工艺的瓶颈，提高内结合强度，使高达每立方米0.5t-0.8t C当量的碳牢固固定在材料里，难于分解，并由于其显著的力学性能、大范围的尺寸规格、纹理的自然美观以及低成本等优势可应用于结构材方面。

如附图6所示，固碳木在结构材方面的应用，可替代森林结构锯材和钢材水泥等结构用材，使得其能够成为地球新的碳库，它对于碳的储存是随着生产量而逐渐累加的。目前，每年全球森林木材资源作为结构锯材的用量在5亿立方米以上，限制该需求的原因主要有：(1)原木价格高，木材40-60％的利用率使绝对成本更高(2)限制和禁止出口原木的国家日益增多(3)热带森林资源急剧减少，有能力向世界提供木材的国家减少(4)钢材水泥等替代量增加。固碳木可用次小径级的速生木材作为原料，比重占比92％以上，且工艺流程简单，能耗较少，故成本低廉。其力学性能卓越，并保留木材纹理自然，可替代全部的森林木材结构应用，并且大量替代钢材水泥等用量。基于以上分析和应对气候变暖问题的迫切性考量，假如以每年20亿立方米的全球需求作为研究的基准情景数据，则将会产生的效果是：1，其本身牢固的碳汇每年以1.0Gt-1.6Gt C当量累加；2，速生木材种植碳汇贡献每年将会超出2GtC当量；3，减少森林扰动每年的碳汇贡献至少超出4GtC当量；4，每年将会生产出超过10万亿人民币以上的GDP总量。地球碳循环也将发生变化，1，新的固碳木碳库碳量不断增大，2，植物碳库碳量增加，3，土壤碳库碳释放量减少，4，大气碳库的碳量将 会实现减少，最终将实现大气CO2浓度逆转。

【附图说明】

图1是人类可以结束对天然森林木材资源利用的示意图；

图2是直纹速生木材长纤维增强体的制备示意图；

图3是横纹速生木材长纤维增强体的制备示意图；

图4是等长原则下的混合交错捆扎示意图；

图5是地球碳循环示意图；

图6是新增固碳木碳库碳循环示意图。

【具体实施方式】

以下提供本发明固碳木具体的实施方式。但本发明不限于以下实施例。

以杨树为原料，制造规格为2500mm*200mm*160mm的固碳木：

将杨树锯切断成2500mm长度木料，经剥皮用旋切机旋切成厚度为3mm的单板，直接剪切成宽度在50mm的单板；再将一些杨树锯切成段，木料长度没要求，符合旋切机长度限定就可，经剥皮后用旋切机旋切成厚度为3mm的单板，宽度在2500mm的单板，将此单板沿着垂直于直纹方向剪切，宽度在30mm之间；将以上为2500mm的两种单板以各50％比例按等长原则混合捆扎成5KG左右的物料；将以上所得成捆的物料放置煮锅中水煮3小时，水温控制为80℃；再将以上所得成捆的物料放置中浸泡池里浸泡0.5小时，浸泡池溶液为17％的稀碱溶液，取出放置满生产固碳木用设备主罐体内关闭密封门；开启加热系统和真空系统，使物料含水率达10％后关闭加热系统和真空系统；开启连接放置甲醛-苯酚预聚物储存罐的阀们，吸入注满预聚物液体于主罐体，预聚物混合液的反应介质PH值为9，碱性催化剂是氢氧化钙；加压5分钟后将罐内所余液体包括纤维增强体的沥下液体分次排入储存罐里；开启加热系统，控制保持温度在70℃-100℃间4小时后开启真空系统吸取罐体内及纤维内水分等其它游离物至另外储存此物质的储存罐内；再将得到混合物以100公斤重量放置生产固碳木用压机的侧压推料系统上，经侧压、正压将混合物锁住模具内；再将其放置在固化炉中固化，在温度70℃-100℃间，固化时间10小时，固化温度高达135℃后，保持2小时使其完全固化；再自然冷却后脱模，即成固碳木材料。

Claims (7)

1.一种人造木材，其特征在于，所述的人造木材由紧固地含碳物质构成，每立方米至少包括0.5吨碳当量。

2.根据权利要求1所述的一种人造木材，其特征在于，所述的一种人造木材含碳量每立方米在0.5-0.8吨碳当量之间。

3.根据权利要求1所述的一种人造木材，其特征在于，所述的一种人造木材的内结合强度在2.6MPa以上，在自然环境下不易被降解。

4.根据权利要求1所述的一种人造木材，其特征在于，甲醛-苯酚预聚高分子取代了果胶在纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间以及初生壁的一些空隙的原来空间，以及替代了果胶原有的连接作用，甲醛-苯酚缩聚高分子的结合强度是果胶的数倍，本身具有防腐作用，不易分解，并还能够加入阻燃、防水和防腐等组分，在自然环境下不易被降解。

5.一种人造木材的制造方法，包含以下生产工序：(1)速生木材长纤维增强体的制备(2)甲醛-苯酚预聚物的制备(3)速生木材长纤维增强体和甲醛-苯酚预聚物混合物的制备(4)模压、固化和脱模，其特征在于，速生木材长纤维增强体和甲醛-苯酚预聚物混合物的制备工艺包括浸泡注入、加压注入、抽提、真空干燥、加温、缩聚反应、碳酸钙生成反应等在设备主罐体内的综合作业。

6.根据权利要求5所述的一种人造木材制造方法，其特征在于，速生木材长纤维增强体的制备是直纹和横纹两种混合交错的条状薄单板，其中横纹条状薄单板的比例是0-50％。

7.根据权利要求5所述的一种人造木材制造方法，其特征在于，速生木材长纤维增强体的制备界面包括由旋切、剪切所产生能与预聚物混合液接触的界面，以及由水煮、浸泡稀碱溶液、增压措施所产生的纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间以及初生壁的一些空隙组成。

Images