天然环境材料

Ⅳ系统内部流程确定：
Ⅴ编目数据的收集与整理 包括能耗、资源消耗、气、液、固等三 废排放物 所有废材全部焚烧，回收热能用于胶合 板生产
资源消耗
基本数据： 制材过程废材率18.9％ 胶合板制造过程废材率10.1％ 由此计算得到生产1m3胶合板需要原木 1.524m3，相应需要制成材1.442m3
能源消耗：
△化学改性——研究热点之一 • 二十世纪七八十年代，美国化学家Rowell 提出 • 定义：通过简单的化学反应改变木材细胞 壁的聚合物的性质，从而提高木材的使用 性能 • 后人一般将细胞空隙化学填充也纳入化学 改性的范围
木 材 化 学 改 性 示 意 图
○木材酯化 • 木材乙酰化 ——木材羟基与乙酰化试剂之间发生酯化反 应 氯乙酰化 乙烯酮法 硫代醋酸法 乙酸酐法
二、 天然高分子
“新高分子化学 新高分子化学”体系 新高分子化学 ——环境材料研究热点之一 • 纤维素（cellulose） • 淀粉（farina）
1、纤维素 1.1、纤维素的分子结构和反应活性
1.2、纤维素的改性：P255 衍生化改性 研究热点： 取代分布控制 区域选择衍生物
接枝改性
• 利用光敏剂引发接枝聚合
○木材陶瓷化 • 在木材细胞腔内交替扩散进阴离子和阳离 子，并使这些离子在木材内部形成无机不 容物，干燥后即得到木质陶瓷。
⑵木材的表面改性 • 表面压实、固化处理 • 化学镀膜 • 等离子处理
⑶微细复合处理 • 分子水平上的处理技术
4、木材及其制品的再生循环
木材制品的再生循环
5、木材及其制品的环境协调性评价
○木材醚化
• 醚化剂： 丙稀氰 氯甲基苯等
Leabharlann Baidu
○木材塑化 • 所谓塑化是指以聚合物单体或者与木材具 聚合物单体或者与木材具 有聚合能力的低聚物为原料，通过预浸渍 有聚合能力的低聚物 或减压注入等方法，使其渗入木材细胞孔 隙和细胞腔之中，然后利用辐射交联等方 式诱发聚合反应 诱发聚合反应，使纤维素与注入聚合物 诱发聚合反应 单体交联固化而形成网状结构的高分子树 脂。
• 氧化还原系统引发接枝聚合 • 引发剂：过氧化氢＋亚铁离子
• 引发剂：过硫酸盐
4.其它天然高分子 蛋白质 天然漆 杜仲胶
下一讲（仿生材料）讨论题： 1.仿生材料既然已具备与生物的相容性，为什么还 要考虑其环境性能 2.大多数天然生物矿石材料的成分都很简单，但其 结构性能又很优异。人工材料成分往往复杂的多， 其性能则比天然材料要差的多。试讨论为什么人 工材料在目前还不能达到天然材料的这些性能？ 3、羟基磷灰石是目前研究最多的生物陶瓷材料，试 比较羟基磷灰石的各种制备工艺的优缺点。讨论 如何才能获得具有完全生物特性的人造羟基磷灰 石？
5.1木材及其制品的资源消耗 每年全世界可供利用的再生木材为23亿 立方米 每年全世界消耗的木材为34～35亿立方 米
5.2木材及其制品的能源消耗
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5.3木材及其制品的环境污染 固体废弃物 水体污染 空气污染
木 材 工 业 的 固 体 废 弃 物
LCA实例：胶合板（日本）
Ⅰ评价目标确定： 中型胶合板生产工厂 产品规格：6～12mm胶合板 Ⅱ范围确定： 从原木砍伐到胶木板制造的整个过程 Ⅲ功能单元定义： 生产的1m3胶合板为功能单元
制成材制造能源消耗和CO2排放表表（原木密度：0.5t/m3）
加工过程 砍伐、运输 剥皮 制成材 防腐处理 人工干燥 合计
能耗(kcal/kg) 143.340 57.336 157.674 71.670 305.792 735.812
CO2排放量(g碳/kg) 6.0 3.2 6.6 22.9 84.5 123.2
三废排放物 • 固体废弃物——废料 • 液体废弃物——很少，不考虑 • 气体废弃物——SO2、CO2、NOx等，甲 醛由于数据不够，没有考虑
Ⅵ环境影响评价
胶合板制 造过程 能耗比例 CO2排放 比例 SO2排放 比例 NOx排放 比例 固体废弃 物排放比 例 原木 砍伐
19.49
原木 输送
5.67
制成 胶合板 材 制造
6.56 67.47
产品 输送
1.55
废材 焚烧
0.00
制造 过程 总计
92.77
运输 总计
7.23
胶合 板总 计
100.0
2.72 1.93 1.71 1.07
1.12 1.49 0.79 0.67
1.68 2.24 1.11 0.89
58.79 86.79 46.76 85.46
约90％ 约5％ 约3％ 约2％
纤维素（直链多糖） 纤维素（直链多糖）
半纤维素（单糖） 其它（灰分，萃取成分）
约50％
约17％ 约3％
树脂管道
2.2木材的使用性能 钢材 密度g/cm3 g/cm3 纵向拉伸强度 压缩强度 导热性W/cm℃ 0.5 吸水率 7.9 1 1 0.003 水泥 ～1.8 1.8 木材 ～0.5 0.5 0.25～0.6 1.3～2.5 0.0003 ～25％
第四讲 天然环境材料
第二节 木材
一、 木材
1、森林在陆地系统中的作用 森林是陆地生态系统的主体 森林是陆地上最复杂的生态系统 森林是陆地上储存生物量最高的生态系统 森林是陆地上保持生态平衡最有效的因素
自然界碳、氮循环的主要途径
表：各种森林带每公顷年碳固定量 单位：吨/每公顷每年
森林种类 热带雨林 碳固定量 森林种类 9.90 温带落叶林 温带亚寒带林 碳固定量 5.40 3.60
2.3木材的环境性能
材料
自然干燥木材 人工干燥木材 三合板 硬质纤维板 纸 钢材 铝 钢筋混凝土
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矿物燃料能耗 MJ/kg MJ/m3 1.5 750 2.8 1390 12.0 6000 20.0 26.0 35.0 435.0 2.0 10000 18000 266000 1100000 4800
二氧化碳排放量 Kg/t Kg/m3 30 15 56 28 218 120 308 700 8700 50 200 360 5320 22000 120
2.4木材的改性及应用 整体改性 表面改性 细微复合处理
⑴木材的整体改性 △物理改性 层积复合技术——木质复合材料 所谓层积复合是指由一定形状的板材， 经过纵横叠压 纵横叠压并配以精制的树脂胶粘合， 纵横叠压 经高温高压处理而制备木质复合结构材料 的技术 这是一种机械改性的方法，也是目前国内 最常用的木材整体改性的方法。
氯乙酰化基本反应式：
乙烯酮法反应式：
硫代醋酸法反应式：
乙酸酐法反应式：
Rowell醋酸酐乙酰化新工艺：
木材乙酰化前后的性能变化：
• 其它酯化反应 酯化剂除了乙酸酐和氯乙酰等乙酰化剂 外，其它含3～6个碳原子的脂肪酸酐 含 个碳原子的脂肪酸酐和含 ～ 个碳原子的脂肪酸酐 6～18个碳原子的酰氯 个碳原子的酰氯也可作为酯化剂。 ～ 个碳原子的酰氯
0.31 0.61 0.23 0.18
34.38 6.93 49.39 11.72
98.56 97.80 98.88 99.14
1.44 1.02 1.02 0.86
100.0 100.0 100.0 100.0
Ⅶ环境结果解释 • 能源消耗 • 污染物排放 • 建议
6、其它天然资源 石材 竹材 等等
热带季节林 7.20 温带常绿林 5.85
2、木材在材料中的地位 森林每年为人类提供了约23亿立方米的木材 现在，全球木材年耗达34-35亿立方米，人均 0.67立方米/年。 而且需求量日增
3、木材及其制品的开发与利用 2.1木材的结构和成分（见下表）
结构 管胞 软组织
辐射状组织
成分 木质素（大分子苯基丙烷） 约30％
制成材阶段直接使用能源
动力、燃料 相应单位 电力（kWh） 汽油（L） 轻柴油（L） 重柴油（L） 其它油类（L） 总计 39.0 3.2 5.5 0.4 0.4 使用能源 kcal/t 87750.0 26880.0 50986.0 4312.0 4212.0 174152.0
胶合板单耗表（废热利用率62.6％）