浅谈新型材料木材陶瓷

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∶1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，2直接以液化木材取代酚醛树脂也能制备出性能相当的木质陶瓷。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。3②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。③木材陶瓷制备机理研究不足：木材陶瓷研究刚刚起步，主要集中在木材陶瓷的制备工艺和基本性能表征方面，对木材陶瓷制备机理研究较少，再加上木材组成十分复杂，对于其热解过程及其分子结构变化的研究具有很大的难度。因此，对于木材陶瓷制备机理的研究是今后一段时间内要完成的相当艰巨的任务。为克服这一难点，可先对木材单一组分进行研究，然后在此基础上再进行综合研究。3木材陶瓷的应用领域在木材加工领域中,有两种材料我们都称之为木材陶瓷。一种是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,干燥后就得到木材陶瓷,也有人称之为木材无机复合材料。它能有效地抑制木材变色、变质,提高木材尺寸稳定性、强度和硬度,改善木材的阻燃性。另一种木材陶瓷是采用木材(或其他木质材料)在热固性树脂溶液中浸渍后在真空(或通入氮气保护)条件下炭化而成的新型多孔材料。它表面活性较高,吸附能力较强,具有优良的热学与远红外性能,导电性类似于半导体,具有良好的屏蔽效果,同时又具有较低的密度和较高的强度以及耐磨性,是一种较好的功能材料。多孔陶瓷(PorousCeramics)是一种新型的由众多的气孔在空间通过各种方式排列而成的一类陶瓷材料,由于具有均匀分布的微孔或孔洞,其孔隙率较高、体积密度小,具有发达的比表面及其独特的物理表面特性,对液体和气体介质有选择的透过性,能量吸收或阻层特性,加之陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性和尺寸稳定性,使多孔陶瓷这一绿色材料可以在气体液体过滤、净化分离,化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料,特种墙体材料和传感器材料等多方面得到广泛的应用。多孔陶瓷作为以气相为主相的功能陶瓷材料,因其优异的性能被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、食品、制药、生物等各个领域作为过滤、分离、布气、吸音、隔热、化工填料、生物陶瓷和催化剂载体等材料。还有一种利用多孔靠模制备多孔陶瓷方法，是Schwartzwalder在1963年发明的,其原理是利用可燃尽的多孔载体(一般为泡沫塑料)吸附陶瓷料浆,然后在高温下烧尽载体材料而形成空隙结构。这种方法制备出的陶瓷具有气孔分布均匀、成本低廉、工艺过程简单、适于工业化大生产等优点。但也存在较大的缺点:首先,制备出的多孔陶瓷结构受泡沫塑料的结构影响很大。虽然海绵或泡沫本身的结构比较好,但采用泡沫浸渍法制备出的多孔陶瓷结构却是泡沫的一次反型。其次,制备过程中泡沫塑料的强度和弹性对多孔陶瓷的结构和性能有很大的影响,如果泡沫材料的强度比较低或弹性小,那么多孔陶瓷材料的强度和结构均匀性就会显著降低。另外,因需要用有机泡沫材料作中间体,易产生烧结残留物,泡沫在烧结过程中变为有害气体,对环境造成污染。各种废气、城市生活污水和工业废水都需要进行相应的过滤和分离才能排放到自然环境中,多孔陶瓷则扮演着“环境净化使者”的角色。多孔陶瓷的板状和管状制品组成的过滤装置具有过滤面积大,过滤效率高的特点,以及多孔陶瓷本身具有的耐高温、耐磨损、耐腐蚀、机械强度高、不污染过滤液体以及易于再生等优点,可用于熔融金属过滤、城市地下水和工业污水的处理、混合性气体的分离、非混合性流体的分离、流体中微细粒子的分离及液体离子、有机高分子的吸附分离等。同时因其优良的抗热震性和耐腐蚀性,使其能够在极其恶劣的环境下使用。多孔陶瓷基体材料本身也具有催化功能,也可以将目标反应匹配的催化剂沉积在其表面,而后者更为常4用。有机化工、无机化工都可应用多孔陶瓷为催化剂载体。常用于化工厂、印刷厂、食品厂及有毒、恶臭等有害气体处理,如蜂窝陶瓷净化汽车尾气。4木材陶瓷的发展展望木材陶瓷作为新兴的环境材料，它可以利用垃圾资源化的利用，减少环境污染具有重要的现实意义，木材陶瓷的研究还在不断深入。随着全球能源危机与环境污染的愈演愈烈，人们对生物质环境友好功能材料的追求越来越强烈。因此，研究绿色环保型材料是未来的发展趋势。木材陶瓷的研究对减缓生态环境日益恶化和重新利用废旧木质材料有很大帮助。对于这样一种新型材料，制备它的原料可以通过对废弃物的回收利用来变废为宝，增加农民的收入。研究这种新型材料的工艺更促进了我国材料事业的发展，以此来取代有限的资源，发展了一条可持续化的道路。这不仅仅是国家发展的需要，更是为了保护我们的地球环境。参考文献[]ByrneCE,NagleDC.MaterialsResearchInnovations,1997,1:137—144[2]GreilP.Mater.Chem.Phys.,1999,61:64—68[3]HoppeR,PetrovaS.Analysis,ModelingandSimulationofMultiscaleProblems,Springer,2006.395—424[4]李宁,张利波,彭金辉.木材陶瓷的研究现状和发展趋势[J].化工进展,2007,26(10):1429.[5]KanoM，MomotaM，OkabeT，etal.Specificheatcapacityofnewporouscarbonmaterials：woodceramics[J].ThermochimicaActa，1997，292：175-177[6]XieXianqing，ZhangDi，FanTongxiang，etal.Thefabricationofcompositeswithinterpenetratingnetworksbasedonwoodceramics[J].MaterialsLetters，2002，56：102-107.[7]QianJunmin，JinZhihao，WangJiping.Structureandbasicpropertiesofwood-ceramicsmadefromphenolicresin-basswoodpowdercomposite[J].MaterialsScienceandEngineering，2004，A368：71-79.[8]HiroseT，FanTX，OkabeT，etal.Effectofcarbonizationtemperatureonthestructuralchangesofwoodceramicsimpregnatedwithliquefiedwood[J].Carbon，2002，40：761-765.[9]HiroseT，FanTX，OkabeT，etal.Effectofcarbonizationtemperatureonthebasicpropertiesofwoodceramicsimpregnatedwithliquefiedwood[J].JournalofMaterialsScience，2001，36：4145-4149.[10]ToshihiroOkabe,KojiSaito.DevelopmentofWoodceramics[D].AdvancedMaterials'93,V/A:Ecomaterials.[1]AzumaY,KawamuraS,ChibaT.DevelopmentofWoodceram-icsManufacturingDevice[D].TheThirdInternationalConfer-enceonEcomate