木陶瓷研究进展

木陶瓷的研究进展

摘要

木陶瓷是一种典型的功能材料，它的开发备受人们的关注。本文通过查阅大量的文献、资料，综述了几种典型基木陶瓷的材料的不同制法与性能，对不同的制备方法做了论述。对不同制法的木陶瓷提出了它们未能克服的缺点，为今后人们的研究提供了思路和方向。

关键词：木陶瓷、功能材料、性能

Research and development of wood ceramics

Abstract

Wood ceramics is a kind of typical functional material, and its development has attracted people's attention. This article through the literature and data, different preparation methods and properties of several typical wood ceramic materials were summarized. The different preparation methods are discussed and proposed which can overcome the shortcomings, providing ideas and direction for the future research of people.

Keywords: wood ceramics, functional materials, performance

1. 引言

木材是人类生活中必不可少的材料之一。随着人类社会物质文明的发展,木材资源也日趋短缺，但是,人类对木材的需求量有增无减。为更好充分利用木材潜在的利用价值,减少木材的浪费、研制具有新性能、多功能的高级材料,使木材得到充分合理的应用便成为当前木材科学研究的主流。木材烧制成木炭,已有几千年古老的历史。木炭这种产品以其独特的性质,广泛应用于国民经济和人民生活的各个方面。为了开发炭材更多的功效,世界上一些国家和地区正研制开发一种新产品——木陶瓷,颇受人们的关注。

木陶瓷作为一种环境材料，它一方面充分利用了木质废物等生物材料，实现了废弃物的最大化利用节约了资源，另一方面，它又具有良好的机械性能，具有吸附、耐腐蚀、阻尼、耐高温等功能，是一种典型的结构功能材料。木陶瓷可以利用木材加工后的废弃木材来进行制备，它的开发在一定程度上减少了木材的浪费，有利于木材的最大化利用，节约了资源，它使碳得以大量固定,从而有利于温室效应的抑制，且加工制造过程中环境友好。

一、木陶瓷的由来

在木材领域之中有两种材料称为木陶瓷[1]，一种是木材/无机复合材料，另一种是日本岗部敏弘[2,3]等在1990年首先提出的。木材／无机复合材料，是通过在木材细胞腔内交替扩散进阳离子和阴离子形成无机不溶物，干燥后得到的。它能有效地抑制木材变质和变色，提高了强度、硬度和木材穴寸稳定性，改善木材的阻燃性。另一种木陶瓷是将木材或木质废弃物在热固性树脂中浸溃，然后在高温炉中真空烧结而成的新型多孔碳素材料，日本研究者称之为＂木质陶瓷＂，同一时期，美国学者[4]称其为＂生态陶瓷＂，良好的应用性能使其成为一种结构功能一体化材料[5]。其浸溃物主要有热固性敵嗟树脂、巧喃树脂、环氧树脂和液化木材[6]，其中胁醇树脂应用居多。

在通常情况下，木材陶瓷是[7]经过干燥的天然木材（或者其它生物质材料）为原料，热固性树脂或液化木材为浸溃液，通过对其进行浸溃、干燥、固化等工艺处理而得到木材/树脂复合材料，再在惰性气体保护系下或真空状态下高温烧结得到的炭质多孔材料常用的浸溃物主要有热固性酚醛树脂（PF）、呋喃树脂、环氧树脂和液化木材等，由于ＰＦ树脂容易制备，且价格低廉，因此在木材陶瓷的研究中使用较多。

二、木材陶瓷概述

木材陶瓷的制备有多种方法，根据所使用的基材不同而有所差异，目前所使用的基材主要有实木、木质中密度纤维板（MDF）、竹子、废纸、植物茎杆等[8-11]。这决定了木材陶瓷的生产成本非常低廉，也正适应了当今材料科学研究中有效开发废弃物料的再生利用、保护环境、节省资源的研究发展战略。

木材陶瓷具有如下一些特点和广阔的应用前景：（１）硬质、耐磨，可作摩擦材料；（２）耐热、耐氧化、耐腐蚀，可应用于高温、腐蚀材料中；（3）导热，有良好的远红外反射功能，是很有前途的房暖材料；（４）轻量、强度高，可作构造用材；（５）结构多孔，可作各种过滤、吸收材料及其它材料的基体；（６）是理想的环境材料[12]。同时，研究也发现，直接利用木质材料制备的木材陶瓷的力学性能并不十分理想且存在一些缺陷与不足[13]。按照材料和结构木材陶瓷可分为实木木材陶瓷、ＭＤＦ木材陶瓷、层状木材陶瓷。

三、木陶瓷的分类(标题编号用错！！)

4.1实木木材陶瓷

木材陶瓷的生产原料可以是天然木材、竹材等。实木木材陶瓷的制备主要是将酚醛树脂（呋喃树脂、环氧树脂等）浸渍到实木中，然后进行烧结而成。木材烧结后形成无定型炭，而树脂烧结后形成玻璃炭，玻璃炭可以增强木陶瓷的强度同时保持了木材生物体的孔隙结构[16]。木陶瓷因它独特的性能而备受人们的关注，近几年来木陶瓷的制备与研究都在不断的有新的科研成果报道。

林铭,谢拥群等人[17]用了几种不同的木材：杉木、刨花板、胶合板和中密度纤维板为原料，经浸渍树脂后高温烧结,制得木陶瓷。结果表明:试样的炭得率和硬度随升温速度升高而减小，材质不同,硬度差异显著，研究结果表明不同的木材料制备的木陶瓷在性能上有一定的差异。程大莉，蒋身学以酚醛树脂与毛竹竹粉为原料制备竹陶瓷[18]，利用扫描电镜( SEM) 、X－射线衍射( XRD) 技术分别对竹陶瓷的微观构造与物相进行表征，研究了竹粉饼密度对竹陶瓷密度、炭得率、体积干缩率的影响。其结果表明，竹粉饼密度对竹陶瓷结晶性影响不大。竹陶瓷的炭得率随竹粉饼密度的增加呈现先增加而后小幅下降的趋势，体积干缩率随竹粉饼密度的增加而增加。

实木木陶瓷以它独特的性能和特性备受人们的青睐，但就目前的工艺来讲，由于木材在加热分解的过程中会因各向异性的存在而使得制品容易变形和开裂，虽通过注入树脂后这种现象有所改善，但还是没有从根本上得到解决。因此，这种方法难以得到较大尺寸的木材陶瓷材料[19]。人们为了解决这一问题，就研究用木粉来做木陶瓷，并取得了一些重要的成果。

4.2 MDF木材陶瓷

MDF木材陶瓷是指用木粉或木质纤维制备的木材陶瓷[19,20]，它的制法与实木陶瓷有所不同，它克服了是木陶瓷的一些缺点，是制造大尺寸木陶瓷的有效方法。主要工艺是先将木材粉碎成木纤维或木粉，通过用酚醛树脂进行胶合热压成块状材料，然后在无氧或惰性气体保护的条件下将固化后的块状材料进行锻烧，从而得到块状的木材陶瓷材料。虽然这种材料是以木材为基材，但在某种意义上已经不具有木材的天然结构，其强度随着树脂量的增加而增加如要达到较为理想的强度，树脂的含量甚至要达到60%左右[21]。

陶毓博，刘一星利用砂光木粉浸渍酚醛树脂后经高温真空炭化处理制成木陶

瓷[22]，研究了炭化温度对木陶瓷尺寸收缩、碳得率、密度变化、抗压和抗弯强度的影响。他们得出650℃以上随着炭化温度的升高木陶瓷的尺寸收缩增加不大、碳得率降低、密度减小、抗压和抗弯强度增大。王萍,程晓农,严学华,周峰以香杉木粉和环氧树脂为原料制备了木材陶瓷[23],利用TGA对木粉、环氧树脂的热分解过程进行了研究,通过扫描电镜、X射线衍射技术对木材陶瓷的微观结构和物相进行表征,研究了碳化温度对木材陶瓷得碳率、体积收缩率、耐磨性的影响得出木材陶瓷是一种由木粉生成的无定形碳和环氧树脂生成的玻璃态碳组成的多孔碳素材料。随着碳化温度的升高,木材陶瓷结构越趋于有序化,得碳率降低,体积收缩率增大,耐磨性略有升高。周蔚虹，喻云水以呋喃树脂与木粉为原料制备了木陶瓷[24]，利用热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)技术分别对木陶瓷的形成机理、微观结构与物相进行了表征。TGA 结果表明，呋喃树脂的得炭率远高于木粉的得炭率。XRD 结果表明，木陶瓷具有乱层石墨结构，提高炭化温度有利于提高木陶瓷中石墨结构的完善性与石墨微晶的生长。研究了炭化温度与呋喃树脂含量对木陶瓷的得炭率、尺寸收缩率与体积电阻率的影响。他们的研究表明：随着炭化温度的升高，木陶瓷的得炭率与体积电阻率减小，尺寸收缩率增大；随着呋喃树脂含量的增大，木陶瓷的得炭率增大，体积电阻率与尺寸收缩率减小。

4.3层状木材陶瓷

层状陶瓷[25]主要是由单层片状的陶瓷通过叠加而成的，怎样制造出质地均匀的陶瓷薄片和夹层材料是层状陶瓷加工的关键。木材陶瓷作为一种特殊的陶瓷材料，其合成方法和性能的研究在国内外报道很多但是木材为模板制备层状木材陶瓷及其复合材料的资料却并不多。

层状木材陶瓷[26]与传统意义上以消除缺陷、提高机械性能为目的的陶瓷有所不同，它不但较好的保持木材的生物结构特征，而且具有鲜明的层状结构。当材料受到弯曲或冲击时，表现出裂纹多次在层界面处受到阻碍而纯化和偏折，能有效地减弱载荷下裂纹尖端的应力集中效应，可使其初性得到很大改善[27-31]。

5. 木陶瓷的研究进展

5.1SiC陶瓷

木陶瓷是一种新型材料，它具备其他类型的陶瓷材料所不具备的一些特点。

随着人们的不断研究木陶瓷也有了新的发展，SiC陶瓷是近几年来人们研究出的一种新型材料，它在高温环境中具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性和抗蠕变性，并具有高的硬度、熔点、拉伸强度和弹性模量，并被认为是最有潜力的热结构材料之一［32］。目前应用仿生技术制备SiC陶瓷及其复合材料已受到相当关注［33－37］。以液Si 浸渗法将碳模板转化为SiC陶瓷材料，易形成致密的Si/SiC复相陶瓷［33-35，36］，而新型木材衍生陶瓷的研制要求尽可能在各个层次上保持木材的原始结构。

A.Herzog 等[33]提出了以硅溶胶浸渍木材或其碳模板结合碳热还原法来获得多孔SiC陶瓷，并对其工艺参数进行了系统优化。这不仅能很好地保持最初模板的结构和形貌，且工艺简单、材料来源丰富、价格低廉。硅溶胶是粒径从几纳米到数十纳米的多聚硅酸分散体系，润湿性好，反应活性高，分散性、渗透性好。J．Qian 等［37］采用此工艺研究了椴木的陶瓷化过程。本文着重研究模板不同的显微结构对溶胶浸渍结合碳热还原合成SiC多孔陶瓷的影响，并以松木模板为例，探讨不同的陶瓷化条件对于SiC多孔陶瓷的相组成、陶瓷化程度、显微结构的影响及合成机制。

5.2木陶瓷的合成材料

木陶瓷的合成材料是指在制作木陶瓷的过程中加入一定量的其他物质，这些物质能够在某种程度上增强木陶瓷的机械性能，使得它能够更好的满足我们的需求。王向科，郭利丹，吴信，尹荔松以木粉、硅溶胶、纳米氧化铝为原料，制备出了氧化铝木陶瓷[38]，他们利用 TG-DSC 对橡胶木粉、硅溶胶的热分解过程进行了研究，通过扫描电镜、EDS 能谱、红外光谱仪（FT-IR）对样品的形貌及结构进行了表征，研究了不同烧结温度及不同氧化铝添加量对木陶瓷残炭率的影响。其结果表明，在烧结温度为 1000 ℃，木粉∶硅溶胶∶氧化铝质量比为1 ∶ 2 ∶08 时，得到了含有晶须状莫来石结构的氧化铝木陶瓷。李淑君，陶毓博，孟黎鹏，刘一星，李坚等人以木纤维为原料,对其进行酚醛树脂浸渍处理,与强化材料Fe或Zn粉末复合,然后高温烧结,制造强化木陶瓷[39]。强化材料的添加使产品保留率增加。添加木纤维质量18%的Fe金属粉末,产品的硬度由8. 45MPa提高到了13. 60MPa。采用Zn金属粉末时,产品的硬度提高到9. 80MPa。耐磨性及电磁屏蔽性能均有明显提高,而抗拉强度、抗压强度提高不明显,甚至有些下降。采用不同金属粉末复合有不同的效果。微观结构分析表明,添加的Fe元素大部分以较

大的颗粒状存在于样品中,未能均匀分布。

六、结论与总结

木陶瓷是一种新型材料，它在一定程度上满足了科技发展的要求，也充分的利用了资源。木陶瓷对环境基本上没有污染，在一定程度上固定了炭源，减少了空气中二氧化碳的排放，节约能源是一种很好的环境材料。木陶瓷在某些方面也存在一些问题：

①金属强化木陶瓷的过程中不能使金属或其他的复合材料和木粉均匀的混合，虽然也在某方面的性能上有所提高但效果没有达到预期的目的。

②实木木陶瓷制备过程中，由于木材的存在的各向异性使得木材在加热分解过程中，容易变形或开裂，不能制备大尺寸的木陶瓷材料。

③MDF木陶瓷虽能克服实木陶瓷的缺点能够制备大尺寸的木材陶瓷，但是从某种意义上它已经不具有木材的天然结构。

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作业（论文）题目：木陶瓷的研究发展课程名称：岩矿鉴定

任课教师姓名：张杰

研究生姓名：石秀林

学号：20150022044

年级：2015级

专业：矿业工程

任课教师评分：