新型材料木材陶瓷.docVIP

浅谈新型材料木材陶瓷 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。本文综述了木质陶瓷的发展历程，介绍了木质陶瓷的原料、生产工艺方法的进展情况，分析了目前木质陶瓷研究中存在的主要问题，并提出今后的发展展望。 关键词：木材陶瓷 环保 展望 目录 摘要 1 前言 1 1木材陶瓷的发展历程 2 2木材陶瓷的制备 3 2.1木材陶瓷的生产工艺方法 3 2.2 木材陶瓷生产工艺流程 4 3木质陶瓷研究中存在的主要问题 5 4 木材陶瓷的发展展望 6 参考文献 6 前言 随着环境问题越来越受到人们的重视，对新材料的需求也越来越大，开发利用固体废弃物和可再生的生物质资源对于保护环境显得尤为重要。木材是一种可以循环利用的自然资源，以木材为原料制备陶瓷已经发展为一个重要的研究方向。 而木材陶瓷就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。由于木质陶瓷本身结构上的特殊性，使其具有良好的力学特性、热特性、电磁特性和摩擦学特性，经加工后有望替代传统陶瓷，可潜在用作电极、发热体、电机炭刷、刹车衬里、耐腐蚀材料、绝热材料、过滤材料等，具有广阔的开发应用前景，是某些不可再生材料的理想替代品[~]。 1木材陶瓷的发展历程 木材具有单向排列的管胞结构(孔结构),其纤维组织从纳米量级的细胞壁膜结构到微米量级的管胞组织,再到毫米量级的年轮,形成了独特的多层次、管胞结构、纤维状和各向异性等生物结构特点 []。木材陶瓷化是制备具有特殊显微结构多孔陶瓷非常有意义的方法,这种结构是其他方法所不可能制成的。 木材陶瓷的发展经历了几个阶段。早在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。木材陶瓷是由浸渍了热固性树脂(主要是酚醛树脂)或液化木质纤维的木材或木质材料经固化、高温炭化制成的新型多孔炭素材料 []。通过对木材陶瓷各种物理性能的研究,表明木材陶瓷具有质轻、多孔性、比强度高、高比表面积、良好的电学和磁学性能、抗热冲击强、耐磨、耐腐蚀、膨胀系数小等优异性能,而且是一种环境友好型陶瓷材料,在许多领域具有广阔的应用前景 []。 自从Byrne等 []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 []。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 []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 []。 2木材陶瓷的制备 2.1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 []。 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 []；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 []；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 [] 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3 h后制得的 []。Hirose等 []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，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。 2.2 木材陶瓷生产工艺流程 下图为木材陶瓷的生产工艺流程图 []。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