木陶瓷研究進展

1、木陶瓷的研究進展摘要木陶瓷是一種典型的功能材料，它的開發(fā)備受人們的關(guān)注。本文通過查閱大量的文獻、資料，綜述了幾種典型基木陶瓷的材料的不同制法與性能，對不同的制備方法做了論述。對不同制法的木陶瓷提出了它們未能克服的缺點，為今后人們的研究提供了思路和方向。關(guān)鍵詞：木陶瓷、功能材料、性能Research and development of wood ceramicsAbstractWood ceramics is a kind of typical functional material, and its development has attracted people's attenti

2、on. 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 res

3、earch of people. Keywords: wood ceramics, functional materials, performance1. 引言木材是人類生活中必不可少的材料之一。隨著人類社會物質(zhì)文明的發(fā)展,木材資源也日趨短缺，但是,人類對木材的需求量有增無減。為更好充分利用木材潛在的利用價值,減少木材的浪費、研制具有新性能、多功能的高級材料,使木材得到充分合理的應(yīng)用便成為當(dāng)前木材科學(xué)研究的主流。木材燒制成木炭,已有幾千年古老的歷史。木炭這種產(chǎn)品以其獨特的性質(zhì),廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和人民生活的各個方面。為了開發(fā)炭材更多的功效,世界上一些國家和地區(qū)正研制開發(fā)一種新產(chǎn)品木陶瓷,頗受人

4、們的關(guān)注。木陶瓷作為一種環(huán)境材料，它一方面充分利用了木質(zhì)廢物等生物材料，實現(xiàn)了廢棄物的最大化利用節(jié)約了資源，另一方面，它又具有良好的機械性能，具有吸附、耐腐蝕、阻尼、耐高溫等功能，是一種典型的結(jié)構(gòu)功能材料。木陶瓷可以利用木材加工后的廢棄木材來進行制備，它的開發(fā)在一定程度上減少了木材的浪費，有利于木材的最大化利用，節(jié)約了資源，它使碳得以大量固定,從而有利于溫室效應(yīng)的抑制，且加工制造過程中環(huán)境友好。1、 木陶瓷的由來在木材領(lǐng)域之中有兩種材料稱為木陶瓷1，一種是木材/無機復(fù)合材料，另一種是日本崗部敏弘2,3等在1990年首先提出的。木材無機復(fù)合材料，是通過在木材細胞腔內(nèi)交替擴散進陽離子和陰離子形成無

5、機不溶物，干燥后得到的。它能有效地抑制木材變質(zhì)和變色，提高了強度、硬度和木材穴寸穩(wěn)定性，改善木材的阻燃性。另一種木陶瓷是將木材或木質(zhì)廢棄物在熱固性樹脂中浸潰，然后在高溫爐中真空燒結(jié)而成的新型多孔碳素材料，日本研究者稱之為木質(zhì)陶瓷，同一時期，美國學(xué)者4稱其為生態(tài)陶瓷，良好的應(yīng)用性能使其成為一種結(jié)構(gòu)功能一體化材料5。其浸潰物主要有熱固性敵嗟樹脂、巧喃樹脂、環(huán)氧樹脂和液化木材6，其中脅醇樹脂應(yīng)用居多。在通常情況下，木材陶瓷是7經(jīng)過干燥的天然木材（或者其它生物質(zhì)材料）為原料，熱固性樹脂或液化木材為浸潰液，通過對其進行浸潰、干燥、固化等工藝處理而得到木材/樹脂復(fù)合材料，再在惰性氣體保護系下或真空狀態(tài)下高

6、溫?zé)Y(jié)得到的炭質(zhì)多孔材料常用的浸潰物主要有熱固性酚醛樹脂（PF）、呋喃樹脂、環(huán)氧樹脂和液化木材等，由于樹脂容易制備，且價格低廉，因此在木材陶瓷的研究中使用較多。2、 木材陶瓷概述木材陶瓷的制備有多種方法，根據(jù)所使用的基材不同而有所差異，目前所使用的基材主要有實木、木質(zhì)中密度纖維板（MDF）、竹子、廢紙、植物莖桿等8-11。這決定了木材陶瓷的生產(chǎn)成本非常低廉，也正適應(yīng)了當(dāng)今材料科學(xué)研究中有效開發(fā)廢棄物料的再生利用、保護環(huán)境、節(jié)省資源的研究發(fā)展戰(zhàn)略。木材陶瓷具有如下一些特點和廣闊的應(yīng)用前景：（）硬質(zhì)、耐磨，可作摩擦材料；（）耐熱、耐氧化、耐腐蝕，可應(yīng)用于高溫、腐蝕材料中；（3）導(dǎo)熱，有良好的遠紅外

7、反射功能，是很有前途的房暖材料；（）輕量、強度高，可作構(gòu)造用材；（）結(jié)構(gòu)多孔，可作各種過濾、吸收材料及其它材料的基體；（）是理想的環(huán)境材料12。同時，研究也發(fā)現(xiàn)，直接利用木質(zhì)材料制備的木材陶瓷的力學(xué)性能并不十分理想且存在一些缺陷與不足13。按照材料和結(jié)構(gòu)木材陶瓷可分為實木木材陶瓷、木材陶瓷、層狀木材陶瓷。3、 木陶瓷的分類 ( 標題編號用錯！)4.1 實木木材陶瓷木材陶瓷的生產(chǎn)原料可以是天然木材、竹材等。實木木材陶瓷的制備主要是將酚醛樹脂（呋喃樹脂、環(huán)氧樹脂等）浸漬到實木中，然后進行燒結(jié)而成。木材燒結(jié)后形成無定型炭，而樹脂燒結(jié)后形成玻璃炭，玻璃炭可以增強木陶瓷的強度同時保持了木材生物體的孔隙結(jié)

8、構(gòu)16。木陶瓷因它獨特的性能而備受人們的關(guān)注，近幾年來木陶瓷的制備與研究都在不斷的有新的科研成果報道。林銘,謝擁群等人17用了幾種不同的木材：杉木、刨花板、膠合板和中密度纖維板為原料，經(jīng)浸漬樹脂后高溫?zé)Y(jié),制得木陶瓷。結(jié)果表明:試樣的炭得率和硬度隨升溫速度升高而減小，材質(zhì)不同,硬度差異顯著，研究結(jié)果表明不同的木材料制備的木陶瓷在性能上有一定的差異。程大莉，蔣身學(xué)以酚醛樹脂與毛竹竹粉為原料制備竹陶瓷18，利用掃描電鏡( SEM) 、X射線衍射( XRD) 技術(shù)分別對竹陶瓷的微觀構(gòu)造與物相進行表征，研究了竹粉餅密度對竹陶瓷密度、炭得率、體積干縮率的影響。其結(jié)果表明，竹粉餅密度對竹陶瓷結(jié)晶性影響不大

9、。竹陶瓷的炭得率隨竹粉餅密度的增加呈現(xiàn)先增加而后小幅下降的趨勢，體積干縮率隨竹粉餅密度的增加而增加。實木木陶瓷以它獨特的性能和特性備受人們的青睞，但就目前的工藝來講，由于木材在加熱分解的過程中會因各向異性的存在而使得制品容易變形和開裂，雖通過注入樹脂后這種現(xiàn)象有所改善，但還是沒有從根本上得到解決。因此，這種方法難以得到較大尺寸的木材陶瓷材料19。人們?yōu)榱私鉀Q這一問題，就研究用木粉來做木陶瓷，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質(zhì)纖維制備的木材陶瓷19,20，它的制法與實木陶瓷有所不同，它克服了是木陶瓷的一些缺點，是制造大尺寸木陶瓷的有效方法。主要工藝是先將

10、木材粉碎成木纖維或木粉，通過用酚醛樹脂進行膠合熱壓成塊狀材料，然后在無氧或惰性氣體保護的條件下將固化后的塊狀材料進行鍛燒，從而得到塊狀的木材陶瓷材料。雖然這種材料是以木材為基材，但在某種意義上已經(jīng)不具有木材的天然結(jié)構(gòu)，其強度隨著樹脂量的增加而增加如要達到較為理想的強度，樹脂的含量甚至要達到60%左右21。陶毓博， 劉一星利用砂光木粉浸漬酚醛樹脂后經(jīng)高溫真空炭化處理制成木陶瓷22，研究了炭化溫度對木陶瓷尺寸收縮、碳得率、密度變化、抗壓和抗彎強度的影響。他們得出650以上隨著炭化溫度的升高木陶瓷的尺寸收縮增加不大、碳得率降低、密度減小、抗壓和抗彎強度增大。王萍,程曉農(nóng),嚴學(xué)華,周峰以香杉木粉和環(huán)氧

11、樹脂為原料制備了木材陶瓷23,利用TGA對木粉、環(huán)氧樹脂的熱分解過程進行了研究,通過掃描電鏡、X射線衍射技術(shù)對木材陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和物相進行表征,研究了碳化溫度對木材陶瓷得碳率、體積收縮率、耐磨性的影響得出木材陶瓷是一種由木粉生成的無定形碳和環(huán)氧樹脂生成的玻璃態(tài)碳組成的多孔碳素材料。隨著碳化溫度的升高,木材陶瓷結(jié)構(gòu)越趨于有序化,得碳率降低,體積收縮率增大,耐磨性略有升高。周蔚虹，喻云水 以呋喃樹脂與木粉為原料制備了木陶瓷24，利用熱重分析 (TGA)、掃描電鏡 (SEM)、X 射線衍射 (XRD)技術(shù)分別對木陶瓷的形成機理、微觀結(jié)構(gòu)與物相進行了表征。TGA 結(jié)果表明，呋喃樹脂的得炭率遠高于木粉的

12、得炭率。XRD 結(jié)果表明，木陶瓷具有亂層石墨結(jié)構(gòu)，提高炭化溫度有利于提高木陶瓷中石墨結(jié)構(gòu)的完善性與石墨微晶的生長。研究了炭化溫度與呋喃樹脂含量對木陶瓷的得炭率、尺寸收縮率與體積電阻率的影響。他們的研究表明：隨著炭化溫度的升高，木陶瓷的得炭率與體積電阻率減小，尺寸收縮率增大；隨著呋喃樹脂含量的增大，木陶瓷的得炭率增大，體積電阻率與尺寸收縮率減小。4.3層狀木材陶瓷層狀陶瓷25主要是由單層片狀的陶瓷通過疊加而成的，怎樣制造出質(zhì)地均勻的陶瓷薄片和夾層材料是層狀陶瓷加工的關(guān)鍵。木材陶瓷作為一種特殊的陶瓷材料，其合成方法和性能的研究在國內(nèi)外報道很多但是木材為模板制備層狀木材陶瓷及其復(fù)合材料的資料卻并不多

13、。層狀木材陶瓷26與傳統(tǒng)意義上以消除缺陷、提高機械性能為目的的陶瓷有所不同，它不但較好的保持木材的生物結(jié)構(gòu)特征，而且具有鮮明的層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)材料受到彎曲或沖擊時，表現(xiàn)出裂紋多次在層界面處受到阻礙而純化和偏折，能有效地減弱載荷下裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)，可使其初性得到很大改善27-31。5. 木陶瓷的研究進展 5.1 SiC 陶瓷木陶瓷是一種新型材料，它具備其他類型的陶瓷材料所不具備的一些特點。隨著人們的不斷研究木陶瓷也有了新的發(fā)展，SiC 陶瓷是近幾年來人們研究出的一種新型材料，它在高溫環(huán)境中具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性和抗蠕變性，并具有高的硬度、熔點、拉伸強度和彈性模量，并被認為是最有潛力的熱結(jié)

14、構(gòu)材料之一32。目前應(yīng)用仿生技術(shù)制備 SiC 陶瓷及其復(fù)合材料已受到相當(dāng)關(guān)注3337。以液 Si 浸滲法將碳模板轉(zhuǎn)化為 SiC 陶瓷材料，易形成致密的 Si/SiC 復(fù)相陶瓷33-35，36，而新型木材衍生陶瓷的研制要求盡可能在各個層次上保持木材的原始結(jié)構(gòu)。A. Herzog 等33提出了以硅溶膠浸漬木材或其碳模板結(jié)合碳熱還原法來獲得多孔 SiC 陶瓷，并對其工藝參數(shù)進行了系統(tǒng)優(yōu)化。這不僅能很好地保持最初模板的結(jié)構(gòu)和形貌，且工藝簡單、材料來源豐富、價格低廉。硅溶膠是粒徑從幾納米到數(shù)十納米的多聚硅酸分散體系，潤濕性好，反應(yīng)活性高，分散性、滲透性好。J Qian 等37采用此工藝研究了椴木的陶瓷化

15、過程。本文著重研究模板不同的顯微結(jié)構(gòu)對溶膠浸漬結(jié)合碳熱還原合成 SiC 多孔陶瓷的影響，并以松木模板為例，探討不同的陶瓷化條件對于 SiC 多孔陶瓷的相組成、陶瓷化程度、顯微結(jié)構(gòu)的影響及合成機制。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過程中加入一定量的其他物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠在某種程度上增強木陶瓷的機械性能，使得它能夠更好的滿足我們的需求。王向科，郭利丹，吳 信，尹荔松以木粉、硅溶膠、納米氧化鋁為原料，制備出了氧化鋁木陶瓷38，他們利用 TG-DSC 對橡膠木粉、硅溶膠的熱分解過程進行了研究，通過掃描電鏡、EDS 能譜、紅外光譜儀（FT-IR）對樣品的形貌及結(jié)構(gòu)進行了表征，研究

16、了不同燒結(jié)溫度及不同氧化鋁添加量對木陶瓷殘?zhí)柯实挠绊憽Ｆ浣Y(jié)果表明，在燒結(jié)溫度為 1000 ，木粉硅溶膠氧化鋁質(zhì)量比為1 2 08 時，得到了含有晶須狀莫來石結(jié)構(gòu)的氧化鋁木陶瓷。李淑君，陶毓博，孟黎鵬，劉一星，李堅等人以木纖維為原料,對其進行酚醛樹脂浸漬處理,與強化材料Fe或Zn粉末復(fù)合,然后高溫?zé)Y(jié),制造強化木陶瓷39。強化材料的添加使產(chǎn)品保留率增加。添加木纖維質(zhì)量18%的Fe金屬粉末,產(chǎn)品的硬度由8. 45MPa提高到了13. 60MPa。采用Zn金屬粉末時,產(chǎn)品的硬度提高到9. 80MPa。耐磨性及電磁屏蔽性能均有明顯提高,而抗拉強度、抗壓強度提高不明顯,甚至有些下降。采用不同金屬粉末復(fù)合

17、有不同的效果。微觀結(jié)構(gòu)分析表明,添加的Fe元素大部分以較大的顆粒狀存在于樣品中,未能均勻分布。6、 結(jié)論與總結(jié)木陶瓷是一種新型材料，它在一定程度上滿足了科技發(fā)展的要求，也充分的利用了資源。木陶瓷對環(huán)境基本上沒有污染，在一定程度上固定了炭源，減少了空氣中二氧化碳的排放，節(jié)約能源是一種很好的環(huán)境材料。木陶瓷在某些方面也存在一些問題：金屬強化木陶瓷的過程中不能使金屬或其他的復(fù)合材料和木粉均勻的混合，雖然也在某方面的性能上有所提高但效果沒有達到預(yù)期的目的。實木木陶瓷制備過程中，由于木材的存在的各向異性使得木材在加熱分解過程中，容易變形或開裂，不能制備大尺寸的木陶瓷材料。MDF木陶瓷雖能克服實木陶瓷的缺

18、點能夠制備大尺寸的木材陶瓷，但是從某種意義上它已經(jīng)不具有木材的天然結(jié)構(gòu)。參考文獻 1 肖忠平，盧曉寧木質(zhì)復(fù)合功能材料的研制開發(fā)現(xiàn)狀林業(yè)科技開發(fā)，2003,17(2):9-12 2Okabe T,Saito ，Hokkirigawa K.The effect of burning temperature on the structural changes of wood-ceramics J.Journal of Porous Materials,1996,3(2):215-221 3安招鵬，王俊勃，姜鳳陽，等生物多孔陶瓷的研究進展應(yīng)用化工，2014,43（9）：16971704 4 Toshi

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