木材陶瓷

一种新型环境材料

木材陶瓷（WOODCERAMIC）是近年来开始研究的一种新型环境材料，广义的木材陶瓷泛指木材无机非金属复合材料。木文较全而地介绍了它的出现、发展和现有水平，分析了它各方面的优势，认为可以利用木材在组织结构、空隙结构上的特点，从环境协调性的角度对材料和产品进行设计，从而创造出既保持原来木材特性又附加了优异功能特性的复合材料，并在此础上推测了它的研究与应用前景。

发展背景

1990年，口本青森工业试验场的冈部敏弘和斋藤幸司采用木材(或其他木质材料，如中密度纤维板、废纸)在热固性树脂中(如酚醛树脂)浸渍后真空炭化而成.烧结温度在800-1 200℃，在这个过程中，木材形成了软质无定型碳，树脂形成硬质玻璃碳，由此而得到的一种新型多孔碳素材料，称之为木材陶瓷(woodceramics)。尽管木材陶瓷的原料采用了有机物质浸渍，但经高温炭化后变为无机碳，从广义上讲，凡具有金属离子键的无机物质均可称为陶瓷，所以这种碳素材料也是一种陶瓷，其结构特性介十传统的炭和碳纤维或石墨之间。所以这种碳素材料也是一种陶瓷。图1是木材陶瓷的扫描电子显微镜照片，它是具有多孔结构的块状物体，其结构特性介十传统的炭和新兴的碳纤维或石墨之间。

这种材料发明以后，得到了口本材料，学界和木材学界的广泛关注，许多学者研究了它的电磁、物理、机械和屏蔽特性，并且利用磁管溅射技术，以木材陶瓷为靶材，以玻璃或铝板为衬底，制备了木材陶瓷薄膜图2为木材陶瓷一种较常见的生产工艺流程图。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化得到木材陶瓷，经切割加工后得到制品。

虽然木材陶瓷最初的应用设想是基十其碳素导电和多孔结构的电磁屏蔽材料，但进一步的研究表明，它有着更广阔的应用前景:

1、轻量、比强度高，可作构造用材；

2、硬质、耐磨，可作摩擦材料；

3、结构多孔，可作各种滤过、吸收材料，以及其它材料的基体；

4、耐热、耐氧化、耐腐蚀，可应用十高温、腐蚀环境中；

5、导热，有良好的远红外发射功能，是大有前途的房暖材料；

6、是理想的环境材料。其原料木材在合理开发使用下是可循环利用的资源，是许多枯竭性资源的极具前景的代用品。木材陶瓷的副产品为木醋酸，它是农业土壤改良剂和防虫防菌剂。木材陶瓷使用后仍可做吸附剂，废弃时也可破碎做土壤改良剂，没有环境负担.同样重要的是，它使碳得以大量固定(约172kg /m3)，从Ifn有利十温室效应的抑制；

7、经济性好，能大批量生产。

木材碳化硅陶瓷

生物系统能构成与外界环境最佳匹配的化学结构.天然形成类似陶瓷结构的无机化合物需要相当长的时间.如果利用阔叶树环孔材孔隙结构作为陶瓷渗入和反应工艺的“模具”，合成速度可大大提高，籍此可形成一种木质结构陶瓷，这种以生物系统作为设计方案和材料合成的思想可概括为生物拟态

德国研究者把木材先烘干，去掉水分，然后将木材在1 800 0C的温度下真空炭化，得到网状多孔结构的碳化物材料，接着将其转入到1 6000C下盛有熔融的无机硅炉子里，生成碳化硅陶瓷，这种材料有望用作人工骨关节以及在航空、航天领域作为耐高温、防热结构材料。

利用松木、桦木、竹子和中密度纤维板(MDF)为木材原料，以颗粒直径为1}-5 mm的工业硅粉为原料，先将木材在120 0C温度下烘干，然后像制造木材陶瓷那样在900 0C下炭化得到木材陶瓷碳素材料，将其置十装有硅粉的石墨堪锅内，在1 6000C的真空炉内加热，最后形成碳化硅复合材料.用XRD分析表明，这种复合材料里包含p}SiC和自由硅两种物相，弯曲强度达到100-300 MPa，是木材陶瓷的10倍.由十良好的机械性能及碳化硅陶瓷的耐高温、耐腐蚀，具有木质细胞结构的陶瓷复合材料有可能在生物过滤工艺、医学移植体、催化剂载体以及高温轻型结构材料等领域获得广泛应用。

陶瓷化木材

采用类似溶胶一凝胶工业合成陶瓷的方法，选取均匀的木材试样，按测试要求切成一定形状尺寸，经清洗、干燥和吸湿处理，以正硅酸乙酷(TOES)作为陶瓷前驱体浸渍剂的主要成分，在专用设备中将陶瓷前驱体浸渍液加压0 . 2-}-1. 0 MPa，注入木材中，在不同的温度下养护不同时间，注入木材细胞壁中的陶瓷前驱体经水解、缩合反应形成SiO2,凝胶，其中部分与纤维素发生键合，部分以物理填充方式存在十微毛细管中，最后得到陶瓷化木材.研究结果表明:陶瓷化处理后的木材较之未处理材，木材端面硬度提高了20%以上，吸湿率降低了40},木材密度有所增加.热重分析(TGA)曲线表明，处理材热分解速度降低，热分解温度提高，未处理木材在450 0C时已分解完毕，Ifn处理木材可持续到550 0C }。

陶瓷化木材未能解决的问题是:注入木材的陶瓷前驱体溶胶在形成凝胶中水解，缩聚过程缓慢，不完全，导致耗能耗时，原料挥发损失严重;反应不完全或形成的SiO.,凝胶抗流失性差，使陶瓷化木材的重量随时间延长}fn降低，致使材料性能随时间延长}fn劣化[19].所以采用高盐基度碱式氯化铝，参与陶瓷前驱体溶胶的水解缩聚反应，引入A1;03,，但是A1;03与SiO;只能起到机械混合作用，不能从根本上解决抗流失性问题.用甲基丙烯酸甲酉歇M1VIA)与陶瓷前驱体混合，使有机高分子和无机粒子相互贯穿，从Ifn部分改善了陶瓷化木材的性质「州，但是无机粒子会使甲基丙烯酸甲酷阻聚。

无机质复合木材

无机质复合木材是指通过阳离子和阴离子交替扩散浸透到木材孔隙中发生无机反应，生成非水溶性盐}fib制得的复合木材.

本京都大学木材研究所将原木在水中浸泡后，放进含硫酸钡溶液中，再放进含硼酸的磷酸二氢氨水溶液中浸泡，最后经洗涤、干燥I fib制得无机质复合木材，由十生成的不溶十水的无机盐填充在木材孔隙内，可阻止木材的热分解，腐朽真菌丝体的成长和白蚁的侵食等，可获得良好的阻燃性，抗腐蚀及抗蚁性，同时保持了木材原有的自然质感，提高了硬度.用类似的工艺方法中请了称之为陶瓷木材制备方法的中国专利.用一定浓度的工业级氯化稀土溶液处理木材.当载药量为3. 8 mg / cm3时，木材的断口硬度提高约30，经防腐实验，10周后检查未有任何腐烂迹象。

以松木为原料，利用水玻璃溶液和硫酸两种溶液交替处理经干燥后获得被称之为陶瓷木材的复合材料.为改善二倍体毛白杨木材的性质，先后用水玻璃和硫酸铝溶液处理毛白杨木材，浸入木材的硫酸根离子和铝离子结合，在细胞间隙和导管的胞腔中生成硅酸铝沉淀，得到毛白杨无机复合木材，其阻燃性和硬度有较大的改善。

美国报道了一种石化木材(instant petrified wood)的方法，将木材浸入含有硅、铝化合物的溶液中，让其填充在木材的孔隙内，然后在140 0C下窑干固化，在常压下浸入深度为5mm,若在一定的压力下或在高温下固化会得到像岩石一样坚硬的木质陶瓷化合物，比一般木材硬度提高}0%一1}0}，但结构外观仍像木材「}} }6}.木材是多孔体，具有流体可渗透性，但是其渗透性大小表现出的差异非常大，这是木材构造特点所致，木材的孔隙包括细胞腔、细胞间隙、纹孔以及微毛细管，这些孔隙尺度大小从纳米级到微米级、毫米级均有分布;溶胶流体渗透木材的难易程度与纹孔构造有关系，不同木材或同种木材的不同部位常因为抽出物的堵塞、结壳物的镶嵌和纹孔膜的偏移，从IfIJ使木材具有不同的渗透性。

将无机粘土与木材废料用高温烧结的方法制成了被称之为木陶瓷复合材的复合材料.开展了粘土与木材的比例对材料孔隙率及噪音衰减系数和透水率影响的相关研究。

发展前景

我国加入世贸组织后，政治、经济将产生深刻的社会影响.我国木材工业的原料、市场、技术会进一步全球化，竞争将是全方位的.在这种情况下，木材工业不能固守在传统行业的狭小领域内，}fn必须跨出去，渗透到其他行业领域，作为木材科学与技术研究，要具有超前性、前瞻性，注重边缘学科、交叉学科的培养和发展，发挥木材的优势，为木材工业争取更大的发展和生存空间。

木材陶瓷是木材学和材料学两个学科内容交叉研究的成果，对十新材料的开发和研究具有有益的启示。

利用木材所具有环境协调性的优势，可以将木材从建筑材料、结构材料、复合材料研究领域向功能材料领域跨越.木材陶瓷在材料的热学、光学、电磁学方面已经显示出诱人的前景;木材碳化硅陶瓷有望在生物材料方面得到应用;依据环境材料的概念和理论指导，将LCA(life cycle assessment)方法应用十产品设计和生产中，指导开发陶瓷化复合木材，可以预见陶瓷化复合木材将作为具体的环境材料，代表环境材料具体研究与开发的典型.由此形成的新技术，对木材工业的发展作用不可低估。

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