浅谈新型材料木材陶瓷

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1、浅谈新型材料木材陶瓷田霖黄翌洋（桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林，541006）摘要木材陶瓷是近年来开始研究的一种新型材料,在生产、使用及废弃后的处理中,不会产生环境污染,具有良好的环境协调性,是环境材料。木材陶瓷是将木材或其它木质材料经树脂浸渍后,在高温下炭化而得到的一种多孔碳素材料，它是木材学和材料学两个学科的内容交叉研究的成果，它既是环保材料、功能材料、又是结构材料。具有良好的力学特性、热特性、电磁特性和摩擦学特性。关键词：木材陶瓷环保展望20世纪90年代,日本的冈部敏弘和斋藤幸司就提出了木材陶瓷的概念。自从Byrne等[1]的工作开始,利用碳模板制备SiC基多孔陶瓷被科学家广泛

2、重视和研究。Geril等在德国开展了液相浸渗反应法制备SiC基多孔陶瓷的研究[2]。随后,欧美的科学家系统地研究了Si/SiC复相生态陶瓷的各种结构和功能特性,诸如硬度、线膨胀系数、高温热电性能、热性能和电性能等。Hoppe等[3]提出了对生态多孔陶瓷的微观拓扑结构和形状进行力学性能优化设计的方法。张荻教授的团队利用木材陶瓷的多孔性,将熔融的金属或合金注入其中得到C/金属复合材料,制备出木材陶瓷/金属网络互穿结构复合材料,其相对密度和力学性能比木材陶瓷有大幅度提高,耐久性和尺寸稳定性也有明显改善。为了充分利用木材的分级多孔结构,张荻等以木材和棉花为模板,水热浸渍金属硝酸盐或金属氯化物制备了

3、一系列的氧化物陶瓷,并将金属纳米颗粒组装到多孔陶瓷的纳米孔道中,展示了这些材料在电、磁、光学、催化方面的应用潜力。1木材陶瓷的制备1.1木材陶瓷的生产工艺方法目前，制备木质陶瓷的原料主要为木材及其它废弃的木质材料和浸渍剂/黏结剂，而浸渍剂/黏结剂则通常使用热固性树脂如酚醛树脂[4]。经过众多学者十多年的研究和发展，目前木质陶瓷的制备工艺已逐渐细化发展为以下3种：①实木木材或中密度纤维板先经过超声波下酚醛树脂或液化木材浸渍，之后进行固化处理，再在惰性气氛下炭化成为木质陶瓷，而后进行成品加工；[5]②实木木材或中密度纤维板先经切削加工成型，之后经超声波浸渍酚醛树脂或液化木材后，进行固化处理，然

4、后在惰性气氛下炭化成木质陶瓷，最后再精加工成木质陶瓷成品；[6]③木屑和其它粉碎的木质材料先与酚醛树脂或液化木材混合，经预固化处理后压制成预定的形状，然后进行深度固化，最后在惰性气氛下高温炭化得到木质陶瓷成品。[7]此外，除去木质陶瓷制备中常用浸渍剂——酚醛树脂之外，一些研究者也采用了液化木材作为浸渍剂，制备得到了木质陶瓷。液化木材实际上是通过一定量的苯酚加上木粉后，以98%的浓硫酸进行催化，在150℃下反应3h后制得的[8]。Hirose等[9]用乙醇与液化木材按1∶51的比例稀释后作为浸渍剂，与中密度纤维板混合浸渍，制备了木质陶瓷。研究发现，直接以液化木材取代酚醛树脂也能制备出性能相当

5、的木质陶瓷。1.2木材陶瓷生产工艺流程木材陶瓷化研究领域的基本思想是利用木材这种天然材料所具有的独特生物学管胞、纤维状结构，以木材为模板通过有机---无机转变，获得具有生物结构的独特性能的新型陶瓷材料。植物细胞死亡后留下的空腔和管道是木材的主要结构特征，具有很高的气孔率。木材在很低的密度下还具有良好的强度、刚性和韧性，与其显微结构特点密切相关。木材纤维组织从毫米量级的年轮到微米量级的管胞和细胞壁组织。通过在木材中渗入盐溶液或无机胶体，阳离子和阴离子交替扩散浸透到木材空隙中发生无机反应，生成非水溶性盐，实现木材的陶瓷化处理，从而改善木材的力学性能、耐腐能力，尺寸稳定性和阻燃性，近年来在建材行

6、业也发展那很快，它实际上得到的是改性木材，是一种有机/无机复合材料。纤维素、半纤维素和木质素这三种高聚物占木材质量的97%-99%，在烧结过程中，温度在120-150摄氏度以下，主要是木材中水分的蒸发。200-400摄氏度之间木材的热分解最为剧烈，半纤维素在225-325摄氏度分解，纤维素的热分解发生在240-350摄氏度，木质素主要在280-500摄氏度发生热分解。下图为木材陶瓷的生产工艺流程图[10]。木材或木质纤维在酚醛树脂内浸泡或混合,然后送入焙烧炉中在惰性气体的保护下高温炭化得到木材陶瓷,经切割加工后得到制品。[11]32.木质陶瓷研究中存在的主要问题[12]①木材碳化过程中存在

7、开裂和翘曲现象：木材碳化过程中水分的蒸发和纤维素等的降解作用会引起各向异性收缩，造成裂纹和翘曲。解决方法是加入能与纤维素羟基发生交联作用的偶联剂以强化细胞壁，并控制好工艺参数。②5木材陶瓷品种单一：目前木材陶瓷研究的重点是碳木材和SiC木材陶瓷。其存在技术路线单一，研究范围小且深度不够，产品结构、组分和形态单一等问题。因此，今后的研究重点将向TiC、B4C等碳化物系列陶瓷C/金属复合材料及单组分或多组分氧化物陶瓷材料的。