木材陶瓷研究现状及应用前景_赵斌

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料等。本文从木材陶瓷 的 种 类、性 能 和 应 用 入 手,着 重 讨 论 了 木 材 陶 瓷 的 研 究 现 状 与 存 在 的 问 题 ,并 对 其 应 用 前 景 进 行 了展望。
1 木 材 基 复 合 材 料
1.1 木 材 陶 瓷 1990年日本青森工业 试 验 场 的 冈 部 敏 弘 和 斋 藤 幸 司 首
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材料导报
2012 年 11 月 第 26 卷 专 辑 20
木材陶瓷研究现状及应用前景*
赵 斌 ,韩 丽 娟 ,谢 威 ,满 蓬 ,张 涛
(中 国 兵 器 工 业 第 五 二 研 究 所 烟 台 分 所 ,烟 台 264003)
摘要 木材陶瓷是一种典型的“环境材料”,具有原 料 可 再 生、低 污 染、低 能 耗 等 优 点,以 及 多 孔、导 电、自 润 滑 等 特性。详细列举了木材陶瓷的应用实例,重点总结了与木材 陶 瓷 相 关 的 复 合 材 料 及 其 性 能 ,并 针 对 木 材 陶 瓷 现 存 的 问 题 ,指 出 了 其 未 来 的 发 展 方 向 。
在合适的工艺范围内,木材陶瓷的电 导 率 与 温 度 和 湿 度 大 致 呈 线 性 关 系,利 用 这 一 特 性,木 材 陶 瓷 可 用 作 湿 敏 器 件[4];木材 陶 瓷 的 摩 擦 系 数 一 般 稳 定 在 0.1~0.15 之 间,是 一种良好的摩擦 材 料;木 材 陶 瓷 是 多 孔 结 构,在 一 定 的 频 率 范围内可散射或吸收电磁波而减弱反射波,是 一 种 良 好 的 电 磁屏蔽材料;木材陶瓷 的 可 靠 性 介 于 工 程 陶 瓷(m=10~20) 和传统陶瓷(m<5)之 间,是 一 种 高 可 靠 性 陶 瓷 材 料[5];木 材
* 国 际 科 技 合 作 项 目 (2010DFR50340) 赵 斌 :男 ,1980 年 生 ,中 级 工 程 师 ,研 究 方 向 为 无 机 非 金 属 材 料 Tel:0535-6890172 E-mail:zhaobin19800218@sina.com
木 材 陶 瓷 研 究 现 状 及 应 用 前 景/赵 斌 等
关键词 木材陶瓷 应用 性能 发展方向 中 图 分 类 号 :TQ174.7 文 献 标 识 码 :A
Research Status and Application Prospect of Woodceramics
ZHAO Bin,HAN Lijuan,XIE Wei,MAN Peng,ZHANG Tao
1.3 金 属 化 木 材 将熔融态的低熔点合金注入 到木 材的 孔 隙 中,冷 却 固 化
后得到的复合材料称为金属化木材。该工艺使用的合金通 常有铅、铋、锡等。金属 化 木 材 的 密 度 为 0.95~3.83g/cm3, 耐磨性较好,在火中不会燃烧。但由于某些 合 金 具 有 一 定 的 毒性,所以目前金属化木材的应用范围非常有限 。 [12]
1.4 陶 瓷 化 木 材 将木材在含有硅化合物的溶液中浸渍后,放入约 80℃的
烘箱中固化,能够得到 硬 度 比 木 材 高 20% ~120% 的 木 质 陶 瓷化合物。这种材 料 具 有 较 好 的 抗 菌、抗 虫 和 耐 腐 蚀 性 能, 特别是其具有优 良 的 防 火 性 能,非 常 适 合 用 作 建 筑 材 料、坚 固耐用的家具或地板 。 [13]
无机质复合木材是指通过某种工艺处理将无机物质作 为增强体,分散到 木 材 基 体 中 从 而 制 得 的 一 种 木 材/无 机 复 合材料 (Wood-inorganic composites,WIC)。 因 为 填 充 的 无 机质能够阻止或 延 缓 木 材 的 腐 烂、热 分 解 和 白 蚁 的 蛀 食 等, 所以无机质 复 合 木 材 可 获 得 良 好 的 抗 腐 性、阻 燃 性 和 抗 蚁 性,同时强度也得到了一定的提升 。 [21]
将白松、桦木、青 冈 木 和 五 合 板 原 料 放 入 专 用 的 浸 渍 罐 中抽真空,注入不 同 密 度 的 酚 醛 树 脂 乙 醇 溶 液,然 后 加 压 浸 渍,并取出浸渍样 放 入 烘 箱 固 化,最 后 将 固 化 试 样 及 未 浸 木 材放入真空炉中,在 氮 气 保 护 气 氛 中 分 别 升 温 至 不 同 温 度, 保温4h后随炉冷 却。 试 验 结 果 表 明,不 同 木 材 制 得 的 试 样 密度随浸渍率的提高而显著增大。在未浸 试 样 中,青 冈 木 材 的密度大于五合板和桦木的密度,白松的 密 度 最 低。浸 渍 后 的桦木、五合板 试 样 的 密 度 超 过 了 青 冈 木 的 密 度。 五 合 板、 桦木试样随浸渍率提 高,密 度 增 大 尤 其 显 著,在 400~500℃ 出现最低值,分析认为碳化过程 中伴 随有 复 杂 的 脱 水、蒸 发、 纤 维 素 的 断 裂 、脱 氢 和 碳 的 晶 型 转 变 等 化 学 变 化 。
Key words woodceramics,application,property,development direction
0 引 言
人口膨胀、资源短 缺、环 境 恶 化 是 当 今 社 会 可 持 续 发 展 面临的3大问题。材料是人类赖以生活和生产的物质基础, 新材料的不断出现和应用是人类文明进步的重要标志之一。 随着社会的进步、经 济 的 发 展 和 生 活 水 平 的 提 高,人 们 越 来 越关注地球的资源、环境和生态平衡等问 题。在 过 去 的 几 百 年里,人类虽 然 成 功 地 解 决 了 许 多 材 料 在 制 备 上 的 技 术 问 题,但同时也消耗 了 大 量 的 不 可 再 生 资 源,引 起 了 难 以 修 复 的环境污染和生态失衡。针对这一问题,日 本 东 京 大 学 山 本 良一教授等在20 世 纪 90 年 代 初 期 提 出 了 一 个 新 的 研 究 领 域 ,即 “环 境 材 料 ”[1]。
木材及其他木质材料是最重要的可再生资源。木材陶 瓷是指利用木材的特性通过一定的工艺化处理从而制得的 具有特殊性能的仿生陶瓷材料,其因具有诸多优 异 的 性 能 而 有 着 巨 大 的 应 用 潜 力 ,如 利 用 其 高 表 面 积 特 性 可 用 作 吸 附 剂 和 催 化 剂 载 体 ,利 用 其 良 好 的 电 学 性 能 可 用 作 电 磁 和 屏 蔽 材
物需要很长的时间。如果利用木材的孔隙结构作为渗入和 反应工艺的前驱 体,形 成 速 度 就 会 大 大 加 快,这 种 以 生 物 体 作为设计方案的合成思想可 称 为 生 物 拟 态 。 [8,9] 首 先 把 木 材 烘 干 ,去 除 水 分 ,然 后 将 木 材 在 1800℃ 的 高 温 下 真 空 碳 化 ,这 样就可制得具有网状多孔结构的碳化物材料,将 其 置 于 装 有 无机 Si的烧结炉里,并加热至熔融,最终形成木材 SiC 陶瓷, 该陶瓷材料可以 用 作 军 工、航 天、航 空 及 核 工 业 领 域 的 耐 高 温、防热结构材料 。 [10]
以竹子、松木、中 密 度 纤 维 板 (MDF)和 颗 粒 直 径 为 1~ 5mm 的工业硅粉为 原 料,像 制 造 木 材 陶 瓷 那 样 在 1600℃ 的 真空炉内加热形成 碳 化 硅 复 合 材 料。XRD 分 析 表 明 复 合 材 料中含有β-SiC 和游离 Si两种形态。经测 试,复 合 材 料 的 弯 曲强度 高 达 100~300MPa,是 普 通 木 材 陶 瓷 的 10 倍。 由 于 这种复合陶 瓷 材 料 具 有 木 质 细 胞 结 构,今 后 有 望 在 医 学 移 植、生物过滤以及催化剂载体等领域获得广泛应用 。 [11]
(No.52Institute of China North Industry Group,Yantai 264003)
Abstract As a typical ecomaterial,the woodceramics have the advantages of reproducible,low pollution,low energy consumption and the character of porous,electric,self-lubricating and so on.The application examples of wood- ceramics are listed in detail,the characteristics of woodceramics are briefly described,the wood-related composite ma- terials and their properties are emphasizingly summed up.At the same time,the future development direction of wood- ceramics is pointed out aiming at their existing problems.
表明:与未处理的 木 材 相 比,陶 瓷 化 处 理 后 的 木 材 硬 度 提 高 了20%以上,热分解温度从450℃提高到 550℃,吸 湿率 降低 了40%,密度略有增加 。 [17]
陶瓷化木材的缺 点 是 缩 聚 过 程 缓 慢、不 完 全,原 料 挥 发 严重,抗流失性差,反 应 不 完 全,性 能 随 时 间 延 长 而 下 降 。 [18] 此外,将木材试样 吸 湿 或 者 吸 水 饱 和,利 用 细 胞 壁 的 吸 附 水 与醇盐 水 解 形 成 溶 胶,木 材 的 增 重 率 (Weight percent gain, WPG)是非常有限的 。 [19] 近期的 研 究 表 明,将 陶 瓷 前 驱 体 与 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (MMA)混 合,使 无 机 粒 子 和 有 机 高 分 子 相 互交换,可在一定程度上提高陶瓷化木材的性能 。 [20] 1.5 无 机 质 复 合 木 材
所 谓 环 境 材 料 是 指 那 些 与 环 境 相 容,对 环 境 有 一 定 降 解、净化和修复功能的材料。通常环境材 料 应 具 有 以 下 3 个 明显特征:(1)具 有 良 好 的 使 用 性 能 或 功 能;(2)具 有 较 高 的 资源利用率;(3)对 环 境 无 副 作 用,即 对 生 态 环 境 污 染 小,再 生利用率高或可降解循环利用,在制备、使 用、废 弃 直 到 再 生 循 环 利 用 的 整 个 过 程 中 ,都 与 环 境 协 调 共 存 。
另 外 ,采 用 溶 胶 -凝 胶 合 成 陶 瓷 的 方 法 也 可 制 造 陶 瓷 化 木 材 。 [14-16] 首先选取均匀的 木 材,按 测 试 要 求 加 工 成 试 样,并 清洗和进行干燥化处理。然后将陶瓷前驱体浸渍液在专用 设备中加压并浸注入木材中,通常采用的前驱体 浸 渍 剂 为 正 硅酸 乙 酯 (Tetraethyl orthosilicate,TEOS),压 力 为 0.2~ 1.0MPa。最后前驱体经水解、缩合形成SiO2 凝胶。测试结果
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陶瓷使用完后的副产品木酯酸是土壤的改良剂和防虫杀菌 剂,对环境没 有 负 作 用 。 [6] 作 为 结 构 功 能 一 体 化 材 料,木 材 陶瓷必将有利于人类生存环境的改善 。 [7]
1.2 木 材 碳 化 硅 陶 瓷 完全在自然力作用下,木材要形成类似 陶 瓷 结 构 的 化 合
先采用木质材料制得了木材陶瓷。他们首先将木质材料在 热固性树脂中浸 渍,然 后 在 真 空 环 境 下 碳 化 处 理,碳 化 温 度 在800~2000℃之间。在此过程中,树脂形成硬 质玻 璃碳,木 材形成软质 无 定 形 碳,从 而 得 到 了 一 种 新 型 的 多 孔 碳 质 材 料。一般认为,具有共价键和金属离子键 的 无 机 物 质 即 可 称 之为陶瓷,因此这种碳质 材 料 也 可 称 之 为 木 材 陶 瓷 。 [2] 该 材 料的发明得到了材料学界的普遍关注,他们深 入 地 研 究 了 它 的物理和化学特 性,并 以 玻 璃 或 铝 板 为 衬 底,以 木 材 陶 瓷 为 靶材,利用磁控溅射技术,又成功制得了木材陶瓷薄膜 。 [3]
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