三根“救命稻草”，人造板行业应该抓哪根？
内容提要：
“以竹代木”能否缓解国内人造板行业原料紧缺的困局？
无醛竹质刨花板生产技术有哪些技术路线？
汽爆技术生产无醛竹质刨花板究竟有多大的发展空间？
引言
在上期文章中我院指出，无醛是人造板行业未来的发展方向，竹材替代木材是人造板原材料问题的发展方向，而刨花板则以其原材料利用率高和板材性能优越成为人造板行业未来节能增效的“主力军”。（点击阅读上期文章）将资源丰富的竹材与绿色无醛的刨花板进行有机结合，才能让我国的人造板材行业走的更远。那么这两者结合的关键点是什么，破解这个关键点的技术又在哪里呢？
一、竹资源优势明显，以竹代木或为产业升级方向
- 我国竹资源丰富，竹产业倍受政策扶持
在上一篇文章中曾经提到（点击阅读上期文章），竹子在我国历史文化和人民生活方面所占的重要位置。这是源于我国不但是世界竹类植物的起源和分布中心之一，还是世界上竹资源最丰富的国家。2016年，我国竹材产量达到250630万根。近五年，全国竹材产量年均增长率达10.0%。可见，竹材已经逐渐成为我国可持续发展过程中不可或缺的优势生态经济资源。我国竹材产量的突飞猛进，得益于近几年来，全国各级政府及相关部门发布多项政策，支持、鼓励竹材种植和竹产业发展。
国家林业局从顶层设计出发，于2013年出台了我国首部竹产业发展规划，即《全国竹产业发展规划（2013-2020）》。规划提出，到2020年，竹产业总产值达到3000亿元，竹产业直接就业人数1000万，竹区农民竹业收入年均2100元。
2017年9月，福建省林业厅出台《福建省林竹千亿元产业实施方案》。
到2020年，福建全省竹林面积稳定在1600万亩，竹产业产值年均增长9%以上、总产值达700亿元以上的目标。
2018年2月，四川省政府办公厅出台《关于推进竹产业转型发展的意见》，提出竹产业发展的五年目标。目标明确指出，到2022年，基本形成以川南竹产业集群和青衣江、渠江、龙门山三大竹产业带为支撑的现代竹业发展格局，建成竹业重点县40个，竹林基地稳定在1800万亩，现代竹林基地突破1000万亩，竹产品就地加工转化率和品牌覆盖率均超过70%，竹旅游康养达到5300万人次，竹产业年综合产值达500亿元，竹农人均竹业年收入达到1500元。
图1 我国竹材年产量及年增长率
数据来源：方象知产研究院整理
不过有统计显示，目前我国已开发利用的竹材产量仅占可砍伐量的四分之一左右,尚有1.1亿吨竹材未开发利用，而我国竹林面积还在以每年10万公顷的速度递增。可见，我国对竹材资源的深度开发和利用还相当滞后，竹材深加工产业潜力巨大。
2.以竹代木优势明显，当前利用水平待提升
竹材作为木材资源的首选替代材料，具有以下优势：
适应性强，种植面积大——我国拥有竹类植物500余种，分布在20个省（市、区）、500多个县（市），主要集中在华南的福建、江西、湖南以及华东的浙江等省份，其中四省竹林面积占全国竹林总面积的60.7%。
产量高，周期短——我国竹林资源丰富，天然速生竹，具有一次造林成功，年年择伐而不破坏生态环境的特点。其繁殖再生力强、产量高、生长周期短，每年还在以3%的速度递增。
韧性好，质感强——竹是高大乔木状禾草类植物，与木材相比，竹材强度高、韧性好、质量低，主要的力学性能可与硬阔叶树材相媲美。竹材色泽柔和、纹理清晰、手感光滑，给人以良好的视觉和触觉感受。
我国不但竹资源丰富，竹制品产量和出口额也均居世界第一。竹材加工是一项庞大产业，也是实现林木资源循环利用的朝阳产业，竹碳、竹醋、竹纤维、竹家具、竹工艺品等竹制用品更是充斥着我们的生活。
而将竹材作为木材的替代品做成板材，还是近几十年才开始的。竹子素来有“植物钢铁”的美誉。在物理特性、环境保护、家居安全方面，竹子的表现显然优于大部分木材。在物理特性方面，与木纤维相比，竹纤维韧性更高。木材在水中容易产生泡发现象，而竹子的吸水性能较差，即使长时间泡在水中也难以变形。因此，从韧性、硬度和强度来看，竹子显然优于木材。
二、无醛竹质刨花板生产技术专利分析？
1.全球无醛竹质刨花板生产技术的发展沿革
图2 无醛竹质刨花板生产技术的专利申请量趋势图
数据来源：方象知产研究院整理
图3 全球各国无醛竹质刨花板生产技术专利占比图
数据来源：方象知产研究院整理
由于我国是竹材的原产国，同时我国对竹材的开发利用也相当早。近年来，我国也加快了对竹材加工技术的开发，目前，无醛竹质刨花板生产技术的专利主要集中在我国，其专利申请量整体呈逐年递增趋势。
1985年，从专利申请号为EP19850302130的一篇欧盟专利开始，其研究纤维素材料的半纤维素部分被高压蒸汽分解、水解，以产生游离糖等产物，通过加热、加压作用将其作为热固性粘合剂，从而生产出具有良好强度性能和极好尺寸稳定性的无醛复合材料，也是从这项技术开启了生产技术改进的先例，但在随后的几十年时间里，全球各国研究人员都未能在该领域取得更大突破。
直到2004年，张梅清等人申请的以氧化镁、氯化镁的矿物粉制成的胶粘剂，开创了无醛竹质刨花板领域关于胶粘剂研究的先河。自此，全球关于无醛竹质刨花板的专利申请从多维度展开。其中，主要有各种无醛胶粘剂、不同方式改进生产技术等。
2.无醛竹质刨花板生产技术专利申请人分析
图4 无醛人造板专利申请量排名前十位的标准申请人
数据来源：方象知产研究院整理
通过对前十位“标准申请人”分析，发现无醛竹质刨花板生产工艺相关专利主要集中在高校、建材企业及个别研究机构。在地域上，我国“标准申请人”主要集中在南方，这反映出竹研究单位与竹材产区密切相关这一特性。
其中，专利申请量最高为中南林业科技大学，为9项申请；其次，南京林业大学、福建农林大学分别申请专利为7项和6项。
3.无醛竹质刨花板生产工艺功效分析
图5 无醛竹质刨花板生产工艺及性能气泡图
数据来源：方象知产研究院整理
经方象知产研究院对无醛竹质刨花板生产工艺及性能的分析，总结形成了图5。
分析图5，发现大量专利集中于研究抗拉强度、防水、防霉等性能，而这些性能是消费者对竹材作为刨花板原材料的首要考虑因素，而关于其他性能指标的研究较少，这在一定程度上反应了无醛竹质刨花板生产工艺的发展状态，即消费者需求引领行业发展，而非先进生产工艺制造优质商品引领消费。
综上所述，虽然竹质刨花板生产工艺的专利很多，但是针对无醛竹质刨花板的专利却寥寥无几，而这些为数不多的无醛刨花板生产工艺专利中，有多少专利可以实现量产？又有多少专利还只是停留在专利库中、实验室里呢？
三、无醛竹质刨花板生产技术，方向在哪？
根据对前文所述生产技术的专利分析，生产无醛竹质刨花板技术主要集中在使用无醛胶和改进生产工艺两方面。其中，使用的无醛胶主要以二苯基甲烷二异氰酸树脂（下称“MDI”）、大豆蛋白基胶粘剂为主，而改进生产工艺的技术路线中，汽爆技术生产无醛竹质刨花板较有代表性。为了甄别出最佳的“无醛竹质刨花板生产技术”，方象知产研究院对目前已知的相关专利技术进行了多维度的综合分析。
1.MDI胶：需要使用脱模剂且价格高
MDI胶无色无醛，是目前最具环保性能的胶种，自1973年开始应用于刨花板生产中。
优点：在胶合刨花板时刨花无需掺水，因此中间刨花可保持干燥，使用较大压力可使表层密制，达到较高抗弯强度且具有较好耐湿性。除此之外，使用MDI胶制成的刨花板性能和酚醛树脂制成的刨花板性能相近，但使用MDI胶生产方式具有施胶量低、固化时间短，且可用于生产低密度刨花板。最重要的是，在产品生产和使用过程中没有游离甲醛释放。
缺点：需要使用脱模剂。MDI胶易与金属产生较大粘合力，为避免粘在垫板和热压板上，面层刨花常用普通胶粘剂胶合或使用专门的脱模剂。这就导致板材表面的脱模剂影响二次加工时的胶、油漆等物质的附着，需要再经过砂光工艺才能解决。
价格高。MDI胶是生产无醛刨花板胶粘剂中价格较高的一种，2017年我国进口的纯MDI均价2852.63美元/吨，是普通脲醛树脂胶价格的4-5倍。最近几年，我国进口的纯MDI价格还在持续增长。关键原料的价格增长，直接拉升了相关产品的生产成本。
图6 我国纯MDI进口平均单价及增长率
数据来源：方象知产研究院整理
2.大豆蛋白基胶粘剂
对大豆蛋白制备木材胶粘剂的研究最为广泛,这主要是由于我国大豆资源丰富、产量高。目前,利用大豆蛋白进行改性制备胶粘剂的原料主要有脱脂大豆粉、大豆分离蛋白等。
目前通过物理改性、化学改性、酶法改性等多种途径提高大豆蛋白胶粘剂的黏结性，但改性大豆蛋白基胶粘剂的实际工业化应用并不多，相关研究大多仍局限于技术层面的开发。
优点：大豆蛋白胶粘剂属于生物材料，不产生甲醛污染； 我国大豆资源丰富；
缺点：黏度低，水性及防腐性能较差。
3.汽爆技术
汽爆即蒸汽爆破，是应用蒸汽弹射原理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术。汽爆处理技术最早始于1928年，当时为间歇法，主要用于生产纤维板。
优点：胶合过程无甲醛；原料利用率最大化;
缺点：该技术虽然出现了90年，但市场对其在制造无醛人造板方面的应用了解有限，市场认知度较低。
为了更好的探究人造板材领域的新方向，方象知产研究院分别从该技术产生的背景、工艺的优势、专利技术的布局等多个方面进行深入探究。
1）汽爆技术的发展历程
汽爆处理技术最早出现在1928年，主要用于生产纤维板。从20世纪70年代开始，该技术被广泛用于动物饲料生产及乙醇、特殊化学品的提取等方面。20世纪80年代后，该技术有了很大发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续汽爆法生产技术及设备。20世纪80年代后期，汽爆技术开始应用于制浆造纸领域，对杨木及许多非木材纤维原料进行了大量的汽爆试验，在此基础上，开发研制了汽爆制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料方面进行了深入研究。
汽爆技术经过几十年的研究，已经发展到应用于不同领域的原料预处理上，如食品工业、制药行业、生物能源、材料、化学品和环境保护等领域。
2）汽爆技术在无醛竹质刨花板生产领域的优势
申请人为四川中科板业有限公司，申请公布号为CN 104626329 A的“一种无醛刨花板、生产方法及用途”即是使用汽爆技术生产无醛竹质刨花板的发明专利。方象知产研究院以该专利法律文件为依据，并向该专利技术相关负责人了解相关技术细节，对使用汽爆技术生产无醛竹质刨花板的主要技术优势进行分析。
a.无甲醛胶合
在生产的某一环节：高温高压条件下，木质素、纤维素、半纤维素等成分在水蒸气的作用下转化成单糖类物质，而其又在高温环境中，生成不溶性树脂，具有粘结力，作为胶粘剂替代传统压板过程中添加的各种粘合剂，达到胶合作用，进而生产出优质、无醛的竹质刨花板。
b.节本增效
该专利的生产工艺简单易实现，仅为汽爆工艺和传统压板工艺的对接，不对传统的生产线进行大的改造，不论是新建厂还是传统板材厂都可以很容易实现新工艺的改造。据了解，同样生产1m³的刨花板，使用无醛粘合剂MDI胶生产的木质刨花板需要木材原料约2m³，木材利用率为85%，而应用汽爆技术生产的无醛竹质刨花板仅需竹原料1.7 m³，而竹材利用率可高达98%，甚至100%，大大提高了原材料的利用率。这将有助于减少原料使用，节约资源，对生产企业将是一个跨越式的进步，这也将有力促进刨花板行业的高效发展。
c.性能出色
利用汽爆技术生产的无醛刨花板，其静曲强度平均值为18.0-25.0Mpa，内结合强度平均值在0.7-1.5Mpa，板面握螺钉力平均值为1200-2500N，板边握螺钉力平均值为900-2000N，2h吸水厚度膨胀率平均值为1.0-5.0%，24h吸水厚度膨胀率平均值为2.5-8.0%，甲醛释放量未检出（干燥器法），实现了竹质刨花板的高物理性能、低吸水厚度膨胀率和无甲醛释放，使竹质刨花板的应用范围更加的广阔。
3）与使用汽爆技术生产无醛竹质刨花板专利相关的专利布局
通过对上文提到专利申请人进行相关专利检索，我院发现其不仅是“一种无醛刨花板、生产方法及用途”的专利申请人，同时还持有其他数项专利。其中关联性较强的4项发明专利和3项实用新型专利形成了以使用汽爆技术生产无醛竹质刨花板专利为核心的专利布局。方象知产研究院对其专利布局进行部分探析：
以CN104633107A “一种压力容器”发明专利为例，其专利是“一种具有能够自动调节容器内工作所需温度高低和压力大小的压力容器”，目的在于“使得气体或汽体与容器内的物质接触面积更大，反应效果更好。”不难发现，此专利实质上是为了应用“一种无醛刨花板、生产方法及用途”专利而为其设计的专用工业设备的技术专利。
再以CN203548872U“一种门结构”实用新型专利为例，其技术优势是以简单的结构实现在保证方便、快速、安全向容器罐体内填料的前提下，同时实现密封效果好，能在压强较大的工作环境下工作。显而易见，“一种门结构”专利是围绕着“一种压力容器”专利的应用需求和保护需求而量身定制的。
通过对“一种无醛刨花板、生产方法及用途”的相关专利布局进行部分探析，可以发现其专利布局核心突出、重点明确，以企业实际应用需求为导向，围绕着重点专利的法律稳定性、技术应用价值、市场发展前景进行布局，完成了其企业知识产权的深度管理，实现了专利技术价值最大化挖掘并真正在生产实践中受益。
四、总结
在保护资源方面，“以竹代木”是人造板行业的发展趋向；在无醛刨花板生产方面，竹质刨花板更胜一筹；在生产无醛竹质刨花板的技术方面，汽爆技术或将引领行业风向。
可以认为，汽爆技术是未来人造板行业在无醛胶合、节本及提质增效等方面的重要发展方向，亟待国家科研及相关部门给予技术上的支持与帮扶，以提高无醛竹质刨花板生产企业的产能，更大规模、更大范围内利用竹资源。
当然，汽爆技术在无醛刨花板生产上的应用还处于技术的起步和发展期，其技术路线优缺点尚需进一步挖掘和打磨，我院也将持续关注此领域的研发动向，并继续展开相关的专利分析研究。
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