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去除“室内污染第一杀手”!「无醛人造板」的专利分析与前景趋势

科技情报
豆豆4个月前
去除“室内污染第一杀手”!「无醛人造板」的专利分析与前景趋势

去除“室内污染第一杀手”!「无醛人造板」的专利分析与前景趋势

#文章仅代表作者观点,未经作者许可,禁止转载,文章不代表IPRdaily立场#


发布:IPRdaily中文网(IPRdaily.cn)

供稿:方象知产研究院

原标题:无醛人造板专利是救命稻草?双重危机下的人造板行业应谋求突围


甲醛对人体危害严重,潜伏期长,被称为“室内污染第一杀手”。家具中的甲醛主要来自板材中的粘合剂,目前市场上的板式或定制家具涉及使用粘合剂的主要包括刨花板、胶合板和纤维板等人造板材。其实国内一些有前瞻性的企业在八十年代末就已经开始向“无醛人造板技术”、“新型替代原料”等领域进行了探索。以“无醛人造板”的专利申请趋势为例,这一领域专利申请量的增加可以说是伴随着消费者对家居环境安全意识的提升而逐渐增加的。


内容提要:

新国标发布给人造板行业带来什么影响?

人造板行业面临的挑战仅是环保标准收紧吗?

专利分析解读无醛人造板技术的趋势和前景。


引言


自2018年5月1日起,《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB18580-2017)正式实施。这是甲醛释放限量标准自2001年发布以来的首次修订。


该标准是我国人造板及其制品行业关于甲醛释放限量的唯一强制性国家标准。修订后的国家标准提高了甲醛释放量限量要求,统一甲醛释放量限量值为0.124mg/m3,限量标志为E1,取消了原来的E2级别。对于人造板及其制品行业而言,此次国家标准修订带来的影响不亚于地震,整个行业在行政强制力驱动下面临着一场“环保洗牌”。


新国标直指家具环保安全问题,而这一问题归根到底是“甲醛问题”。甲醛对人体危害严重,潜伏期长,被称为“室内污染第一杀手”。家具中的甲醛主要来自板材中的粘合剂,目前市场上的板式或定制家具涉及使用粘合剂的主要包括刨花板、胶合板和纤维板等人造板材。


1、何为人造板?


根据GB/T 18259-2009《人造板及其表面装饰术语》定义,人造板是指以木材或非木材植物纤维原料加工成刨花(或碎料),施加胶粘剂(和其他添加剂),组坯成型并经热压而成的一类人造板材。我们生活所用的家具、厨具、工艺品以及与生活场所息息相关的地板、建筑装饰、包装材料等都是由人造板制作或组成的。利用人造板制造家具除节约木材外,还能减少刨平、刨光、拼缝、涂漆等操作时间。


因为人造板的这些优点,我国人造板行业发展迅速,21世纪以来,我国人造板年均增长率超过20%, 2016年我国人造板产量高达30042.2万立方米,同比增长4.8%,其中“三板(胶合板、 纤维板和刨花板的总称)”占人造板总产量90%,其他还包括复合板、密度板、细木工板等表面装饰板,共占10%。


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图1  2016年我国不同种类人造板产量分布占比图

数据来源:方象知产研究院整理


胶合板是由单板构成的多层材料,通常按相邻层单板的纹理方向大致垂直组坯胶合而成的板材;纤维板是指将木材或其他植物纤维原料分离成纤维,利用纤维之间的交织及其自身固有的粘结物质,或者施加胶粘剂,在加热和(或)加压条件下,制成的厚度1.5mm或以上的板材。


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表1 “三板”对比图

数据来源:方象知产研究院整理


从表1可知,“三板”在不同性能方面各有自身的优劣势,但是都有一个共同点,那就是都需要添加胶粘剂,这正是人造板甲醛的根源所在,也是整个人造板行业的软肋。


2、人造板“危机”:国际收紧+原料难求


事实上,我国的“三板”制造生产历史最早可以追溯到解放前,在当时的哈尔滨、上海等地就有数家胶合板厂。在经历了近一个世纪的发展后,2014年我国人造板产量已经占全球总产量的近一半,可以说,我国现在已经是世界人造板生产、消费、进出口贸易的第一大国。


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图2 我国“三板”产量及年增长率

数据来源:方象知产研究院整理


虽然人造板市场前景巨大,但随着消费者安全与环保意识的提高,以及国家供给侧改革对环境保护要求的增强,甲醛问题已经是整个人造板行业必须要去解决的问题。2001年,原国家质检总局、国家标准化管理委员会发布了我国第一项关于室内装修甲醛释放限量的国家强制标准,即GB 18580—2001《室内装饰装修材料 人造板及其制品中甲醛释放限量》,其第一次规定了E1、E2两个等级的限制标志,开创了我国在人造板甲醛释放量规定方面的先河。


而今年“五一”正式开始实施的《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB18580-2017),是甲醛释放限量标准自2001年发布以来的首次修订。


这一严苛的标准对于中小型的人造板生产企业来说,无异于一道难以逾越的鸿沟。这也意味着,在新标准实施后,必然会加速人造板行业洗牌,一大批技术力量薄弱的中小型生产企业将会从市场中消失。


不过,即使是我国最严格的人造板安全标准,与欧美和日本等发达国家的标准还存在着相当大的差距。在国际大环境的影响下我国人造板安全标准未来的修订或将趋于更为严格。


以美国为例,其CARB (California air resources board)标准被认为是复合木制品甲醛释放量的最严格标准之一。该法规规定的甲醛释放量:硬质胶合板(hwpw)必须小于0.05ppm/m3、刨花板(pb)必须小于0.09ppm/m3、中密度纤维板(mdf)必须小于0.11ppm/m3。


再看看我们的邻国日本,它的F4星级优于欧标。日本政府规定自2003年7月1日起,日本执行新的F4星环保标准,要求所有进口的建筑材料环保必须达到F4级别,即甲醛释放量≤0.3mg/L。F4星不仅仅停留在板材层面,对于生产板材的工厂也有严格的要求。工厂必须拥有日本国土交通大臣签署的F4星环保标准的工厂认证书以及日本JIS标准检测的检测报告。目前,世界上只有极少数的几家工厂通过日本国土交通省认证。


除了日益严格的国家标准,人造板行业还面临着另一大挑战——木材原料的稀缺。由于我国森林资源存在着诸如总量不足、质量不高、结构不合理等情况。为了应对这些问题,2014年我国开始全面禁止自然林木的砍伐,而木材和纸产品消费的市场需求却仍在不断增长。面对市场的供求矛盾,国内不少相关的生产企业都将目光瞄准了国外的木材资源。


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图3 我国木材产量、进口量及年增长率

数据来源:方象知产研究院整理


但是,以外国的“大树”为依托就真的好乘凉吗?


图3的数据给了我们否定的答案——虽然十几年来,我国原木总量整体呈上升趋势,但原木的进口量相对而言起伏大、不稳定,过分依赖进口原木作为原材料不利于人造板行业的健康发展。


据统计,目前我国从全世界100多个国家和地区进口原木和锯材,主要有欧美、非洲、南美、东南亚、俄罗斯等。然而,这扇海外木材原料的供应“大门”也被越关越紧。


自2015年以来,全世界范围内越来越多的产材国提出禁止或限制原木出口政策;


2016年,老挝、泰国、柬埔寨、缅甸、莫桑比克等国接连宣布停止出口木材(或原木);


这些木材禁令的颁布,让我国的木材产品加工企业在争夺生产资源的同时,也不得不考虑寻找新的替代原料。


由此可见,“降低甲醛释放量”和“寻找新材料”已经成为挡在国内人造板企业面前的两座“大山”。


3、新材料无醛人造板,任重道远!


其实国内一些有前瞻性的企业在八十年代末就已经开始向“无醛人造板技术”、“新型替代原料”等领域进行了探索。


以“无醛人造板”的专利申请趋势(图4)为例,这一领域专利申请量的增加可以说是伴随着消费者对家居环境安全意识的提升而逐渐增加的。


1.中国无醛人造板专利申请趋势及技术生命周期


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图4 无醛人造板生产工艺申请量趋势图

数据来源:方象知产研究院整理


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图5 无醛人造板生产工艺生命周期图

数据来源:方象知产研究院整理


从数据统计来看,“无醛人造板”技术的发展大致分为两个阶段:


(1) 技术萌芽期(1989~2000年):20世纪90年代,由美国大豆协会推动的大豆蛋白基胶粘剂研究,使生物质胶粘剂领域成为新的研究热点。我国的无醛技术则始于1989年王春雷研究废塑料与植物纤维复合材料,随后中国林业科学院研究了凝缩类栲胶为胶料制造硬质纤维板的方法。但此时国人对于居室环境安全的意识还相当薄弱,需求方面的缺位让“无醛人造板技术”一直处于摸索阶段,相关专利申请量也很少。


(2) 技术成长期(2001年至今):2001年,国家质检总局发布了我国第一项关于“室内装修甲醛释放限量”的国家强制标准,自此,“无醛人造板”技术才由科研单位的实验室,真正走进国人的视野。但由于基础研究薄弱,直到2006年,脲醛树脂固化技术、甲醛清除剂、大豆蛋白基胶粘剂的研发才真正得到市场的关注。


2.申请人分析


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图6 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“标准申请人”的分析不难发现,无醛人造板的生产技术主要集中在高校、科研机构及板材生产企业。


其中,南京林业大学以48项专利申请高居榜首,中国林业科学院、安徽百仪家具紧随其后。


南京林业大学申请的专利以研究无胶、改性胶粘剂、甲醛清除剂、木材重组技术及阻燃功能为主,其中又以“改性胶粘剂”研究最多;中国林业科学研究院以研究甲醛清除、塑膜、新生产工艺技术改进、大豆蛋白胶粘剂为主,其侧重点在新生产工艺的改进方面;


而作为一线生产企业的百仪家具,在2015年7月15日一次性的申请了33项专利。不过详细分析这33项专利发现,专利主要是关于废旧轮胎橡胶粉改性各种板材的制备。由此可见,申请人实际是希望通过大量的专利申请来进行行业布局,以保护其核心技术。


综合以上分析,无胶生产工艺改进、甲醛清除等领域是行业研究热点。为了验证这种推断,我们需要深入分析无醛人造板生产工艺的技术功效。


3.无醛人造板生产工艺分析


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图7不同无醛人造板生产工艺的气泡图

数据来源:方象知产研究院整理


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图8 不同无醛人造板的性能功效图

数据来源:方象知产研究院整理


目前生产无醛人造板的技术有很多种,常见的有:使用无醛胶,采用甲醛清除剂,改进生产工艺少添加胶、甚至不添加胶等,每种方式各有利弊。经过方象知产研究院的分析总结,形成了不同无醛人造板生产工艺的气泡图(图7)和不同无醛人造板的性能功效图(图8)。


分析图7、图8发现,大量专利主要集中在纤维板、刨花板、胶合板及复合板的混合、干燥、热压等技术,特别注重防火、防水、保温等性能的研发。然而在无醛人造板的生产流程中,甲醛的主要来源在施胶环节,而施胶环节研究较少,业界普遍认为在于无醛胶的研发难度较大、突破限制因素困难。例如,目前生产上应用较多的二苯基甲烷二异氰酸树脂(MDI),不产生甲醛,但易与金属产生很大粘合力,为了避免粘在垫板和热压板上,面层的刨花常用普通胶粘剂胶合或使用专门的脱模剂,而且MDI价格较高,2017年我国进口的纯MDI平均价格为2852.63美元/吨,是普通脲醛树脂胶的4~5倍;


另外无醛胶中研究较多的是大豆蛋白胶,这也是最早被市场化的一种无醛胶粘剂。作为一种生物基无醛胶粘剂,大豆蛋白胶以大豆粉、豆粕、大豆分离蛋白等为原料,以水为分散介质,加入其它助剂制成的胶粘剂,但在分离大豆蛋白的过程中仍然存在环境污染的问题。


据国外相关资料显示,经过化学改性的大豆胶无论是耐沸水胶合强度,还是耐冷水胶合强度,均满足国标中对胶粘剂胶合强度的要求。然而,通过酚醛改性虽然能跨越式的提高大豆基胶粘剂的耐水胶合强度,但酚醛类产品毒性较大,仍然对人体健康存在安全风险。近年来,国内的不少企业都宣称自己的产品使用了大豆胶类的“零甲醛”生物粘合剂,但相关监管部门的调查结果却并非如此。


以木地板为例,北京、天津、河北等28省市的消协(消委会、消保委)曾经联合中国室内装饰协会绿色家居环境技术工作委员会,依据国家标准GB18580-2001《室内装饰材料 人造板及其制品中甲醛释放量限值》对市场上采集的35个主流品牌样品开展了环保性能比较试验。结果显示,35个样品的甲醛释放量达标率为97.14%,但没有一个地板不含甲醛。


虽然从理论和技术层面讲,生物胶要达到完全没有甲醛是可以做到的,但各企业的研发能力不同,有的企业的确是在做研究,而更多的则可能为了提高宣传效果而混淆概念欺骗消费者。浙江省林产品质检站站长方崇荣表示,甲醛是增加胶水黏稠度、附着力的材料。当前技术条件下,复合地板的密度、吸水膨胀率的技术指标需要使用甲醛才能保证质量稳定。采用无醛粘合剂的地板产品首先成本更高,其次离开甲醛以后,地板的综合性能难以稳定,未必能够达到人造板的国家标准要求(1)。


再进一步深入分析胶合板、纤维板和刨花板三种不同人造板的发展状况:


4.中国无醛“三板”的专利申请趋势及技术生命周期


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图9 “三板”专利申请趋势图

数据来源:方象知产研究院整理


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图10 我国胶合板生产技术生命周期图

数据来源:方象知产研究院整理


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图11 我国纤维板生产技术生命周期图

数据来源:方象知产研究院整理


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图12 我国刨花板生产技术生命周期图

数据来源:方象知产研究院整理


由于从提出专利申请到公开,需要一定时间,所以近几年的数据只能作为参考。从申请量趋势来看,“三板”的专利申请总体趋势处于上升状态。


三张技术生命周期图显示整体趋势均为技术成长期,虽然发展过程各异,但关于生产工艺专利的技术生命周期与人造板的相近,这里不再赘述。


从相关专利的申请量趋势图中不难发现,板材生产的新技术呈爆发式增长,这与市场尤其是消费者对板材环保性能的高要求密不可分。


市场的需求、消费者的关注极大的推动了相关技术的研发速度,改进脲醛胶的配比、研制开发新型的非醛类胶粘剂等,但是由于材质属性、工艺水平、生产成本等因素的影响,目前市场上尚未出现能够同时满足大规模生产、工艺成熟,以及低成本产业化需求的粘结剂技术。


4、木材资源短缺,替代原料离我们还有多远?


在对“无醛人造板”生产工艺探索的同时,我国的人造板生产企业还不得不面对原材料紧缺的问题。


虽然人造板产业有利于节约木材资源,缓解中国木材供需矛盾。伴随建筑装饰和家具业的高速发展,国内木材需求量还在急剧增长,木材供应的缺口越来越突出。尤其国内外均出台了严格限制森林砍伐与限制出口政策,这对于人造板生产企业来说,无异于婴儿断奶、打破了饭碗!


当下,中国的人造板企业不但要面对突破“无醛人造板”的技术瓶颈,还必须尽快寻找适合的木材替代原料。这些看似无法破解的危机,却让那些善于思考,勇于创新的企业看到了机会。


面对国内外日益严苛的木材砍伐和出口限制政策,国内人造板企业亟需寻找木材的替代原料。我国幅员辽阔,自然资源丰富,其实能够完美替代木材的原料就在我们身边,它就是小小的竹子。


然而,我国的竹材产量虽然丰富,但面对庞大的市场需求,单凭小小的竹子能应付的了吗?


此外,竹子的衍生品“竹炭”以其强大的吸附能力,在净化空气、消除异味、吸湿防霉、抑菌驱虫等多个方面被广泛应用。那么在面对市场对“无醛”需求愈加严格的挑战时,这种竹材衍生品又能否独当一面呢?



参考文献:

(1)摘自中国质量新闻网2017年10月25日的报道《无醛地板真的没甲醛吗》



发布:IPRdaily中文网(IPRdaily.cn)

供稿:方象知产研究院

编辑:IPRdaily赵珍          校对:IPRdaily纵横君

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