木材陶瓷發(fā)展背景

1990年，口本青森工業(yè)試驗(yàn)場的岡部敏弘和齋藤幸司采用木材(或其他木質(zhì)材料，如中密度纖維板、廢紙)在熱固性樹脂中(如酚醛樹脂)浸漬后真空炭化而成.燒結(jié)溫度在800-1 200℃，在這個(gè)過程中，木材形成了軟質(zhì)無定型碳，樹脂形成硬質(zhì)玻璃碳，由此而得到的一種新型多孔碳素材料，稱之為木材陶瓷(woodceramics)。盡管木材陶瓷的原料采用了有機(jī)物質(zhì)浸漬，但經(jīng)高溫炭化后變?yōu)闊o機(jī)碳，從廣義上講，凡具有金屬離子鍵的無機(jī)物質(zhì)均可稱為陶瓷，所以這種碳素材料也是一種陶瓷，其結(jié)構(gòu)特性介十傳統(tǒng)的炭和碳纖維或石墨之間。所以這種碳素材料也是一種陶瓷。圖1是木材陶瓷的掃描電子顯微鏡照片，它是具有多孔結(jié)構(gòu)的塊狀物體，其結(jié)構(gòu)特性介十傳統(tǒng)的炭和新興的碳纖維或石墨之間。

這種材料發(fā)明以后，得到了口本材料，學(xué)界和木材學(xué)界的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者研究了它的電磁、物理、機(jī)械和屏蔽特性，并且利用磁管濺射技術(shù)，以木材陶瓷為靶材，以玻璃或鋁板為襯底，制備了木材陶瓷薄膜圖2為木材陶瓷一種較常見的生產(chǎn)工藝流程圖。木材或木質(zhì)纖維在酚醛樹脂內(nèi)浸泡或混合，然后送入焙燒爐中在惰性氣體的保護(hù)下高溫炭化得到木材陶瓷，經(jīng)切割加工后得到制品。

雖然木材陶瓷最初的應(yīng)用設(shè)想是基十其碳素導(dǎo)電和多孔結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽材料，但進(jìn)一步的研究表明，它有著更廣闊的應(yīng)用前景:

1)輕量、比強(qiáng)度高，可作構(gòu)造用材；

2)硬質(zhì)、耐磨，可作摩擦材料；

3)結(jié)構(gòu)多孔，可作各種濾過、吸收材料，以及其它材料的基體；

4)耐熱、耐氧化、耐腐蝕，可應(yīng)用十高溫、腐蝕環(huán)境中；

5)導(dǎo)熱，有良好的遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能，是大有前途的房暖材料；

6)是理想的環(huán)境材料。其原料木材在合理開發(fā)使用下是可循環(huán)利用的資源，是許多枯竭性資源的極具前景的代用品。木材陶瓷的副產(chǎn)品為木醋酸，它是農(nóng)業(yè)土壤改良劑和防蟲防菌劑。木材陶瓷使用后仍可做吸附劑，廢棄時(shí)也可破碎做土壤改良劑，沒有環(huán)境負(fù)擔(dān).同樣重要的是，它使碳得以大量固定(約172kg /m3)，從Ifn有利十溫室效應(yīng)的抑制；

7)經(jīng)濟(jì)性好，能大批量生產(chǎn)。

采用類似溶膠一凝膠工業(yè)合成陶瓷的方法，選取均勻的木材試樣，按測試要求切成一定形狀尺寸，經(jīng)清洗、干燥和吸濕處理，以正硅酸乙酷(TOES)作為陶瓷前驅(qū)體浸漬劑的主要成分，在專用設(shè)備中將陶瓷前驅(qū)體浸漬液加壓0 . 2-}-1. 0 MPa，注入木材中，在不同的溫度下養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間，注入木材細(xì)胞壁中的陶瓷前驅(qū)體經(jīng)水解、縮合反應(yīng)形成SiO2,凝膠，其中部分與纖維素發(fā)生鍵合，部分以物理填充方式存在十微毛細(xì)管中，最后得到陶瓷化木材.研究結(jié)果表明:陶瓷化處理后的木材較之未處理材，木材端面硬度提高了20%以上，吸濕率降低了40},木材密度有所增加.熱重分析(TGA)曲線表明，處理材熱分解速度降低，熱分解溫度提高，未處理木材在450 0C時(shí)已分解完畢，Ifn處理木材可持續(xù)到550 0C }。

陶瓷化木材未能解決的問題是:注入木材的陶瓷前驅(qū)體溶膠在形成凝膠中水解，縮聚過程緩慢，不完全，導(dǎo)致耗能耗時(shí)，原料揮發(fā)損失嚴(yán)重;反應(yīng)不完全或形成的SiO.,凝膠抗流失性差，使陶瓷化木材的重量隨時(shí)間延長}fn降低，致使材料性能隨時(shí)間延長}fn劣化「19].所以采用高鹽基度堿式氯化鋁，參與陶瓷前驅(qū)體溶膠的水解縮聚反應(yīng)，引入A1;03,，但是A1;03與SiO;只能起到機(jī)械混合作用，不能從根本上解決抗流失性問題.用甲基丙烯酸甲酉歇M1VIA)與陶瓷前驅(qū)體混合，使有機(jī)高分子和無機(jī)粒子相互貫穿，從Ifn部分改善了陶瓷化木材的性質(zhì)「州，但是無機(jī)粒子會使甲基丙烯酸甲酷阻聚。

生物系統(tǒng)能構(gòu)成與外界環(huán)境最佳匹配的化學(xué)結(jié)構(gòu).天然形成類似陶瓷結(jié)構(gòu)的無機(jī)化合物需要相當(dāng)長的時(shí)間.如果利用闊葉樹環(huán)孔材孔隙結(jié)構(gòu)作為陶瓷滲入和反應(yīng)工藝的“模具”，合成速度可大大提高，籍此可形成一種木質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷，這種以生物系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)方案和材料合成的思想可概括為生物擬態(tài)

德國研究者把木材先烘干，去掉水分，然后將木材在1 800 0C的溫度下真空炭化，得到網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的碳化物材料，接著將其轉(zhuǎn)入到1 6000C下盛有熔融的無機(jī)硅爐子里，生成碳化硅陶瓷，這種材料有望用作人工骨關(guān)節(jié)以及在航空、航天領(lǐng)域作為耐高溫、防熱結(jié)構(gòu)材料。

利用松木、樺木、竹子和中密度纖維板(MDF)為木材原料，以顆粒直徑為1}-5 mm的工業(yè)硅粉為原料，先將木材在120 0C溫度下烘干，然后像制造木材陶瓷那樣在900 0C下炭化得到木材陶瓷碳素材料，將其置十裝有硅粉的石墨堪鍋內(nèi)，在1 6000C的真空爐內(nèi)加熱，最后形成碳化硅復(fù)合材料.用XRD分析表明，這種復(fù)合材料里包含p}SiC和自由硅兩種物相，彎曲強(qiáng)度達(dá)到100-300 MPa，是木材陶瓷的10倍.由十良好的機(jī)械性能及碳化硅陶瓷的耐高溫、耐腐蝕，具有木質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的陶瓷復(fù)合材料有可能在生物過濾工藝、醫(yī)學(xué)移植體、催化劑載體以及高溫輕型結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

無機(jī)質(zhì)復(fù)合木材是指通過陽離子和陰離子交替擴(kuò)散浸透到木材孔隙中發(fā)生無機(jī)反應(yīng)，生成非水溶性鹽}fib制得的復(fù)合木材.

本京都大學(xué)木材研究所將原木在水中浸泡后，放進(jìn)含硫酸鋇溶液中，再放進(jìn)含硼酸的磷酸二氫氨水溶液中浸泡，最后經(jīng)洗滌、干燥I fib制得無機(jī)質(zhì)復(fù)合木材，由十生成的不溶十水的無機(jī)鹽填充在木材孔隙內(nèi)，可阻止木材的熱分解，腐朽真菌絲體的成長和白蟻的侵食等，可獲得良好的阻燃性，抗腐蝕及抗蟻性，同時(shí)保持了木材原有的自然質(zhì)感，提高了硬度.用類似的工藝方法中請了稱之為陶瓷木材制備方法的中國專利.用一定濃度的工業(yè)級氯化稀土溶液處理木材.當(dāng)載藥量為3. 8 mg / cm3時(shí)，木材的斷口硬度提高約30，經(jīng)防腐實(shí)驗(yàn)，10周后檢查未有任何腐爛跡象。

以松木為原料，利用水玻璃溶液和硫酸兩種溶液交替處理經(jīng)干燥后獲得被稱之為陶瓷木材的復(fù)合材料.為改善二倍體毛白楊木材的性質(zhì)，先后用水玻璃和硫酸鋁溶液處理毛白楊木材，浸入木材的硫酸根離子和鋁離子結(jié)合，在細(xì)胞間隙和導(dǎo)管的胞腔中生成硅酸鋁沉淀，得到毛白楊無機(jī)復(fù)合木材，其阻燃性和硬度有較大的改善。

美國報(bào)道了一種石化木材(instant petrified wood)的方法，將木材浸入含有硅、鋁化合物的溶液中，讓其填充在木材的孔隙內(nèi)，然后在140 0C下窯干固化，在常壓下浸入深度為5mm,若在一定的壓力下或在高溫下固化會得到像巖石一樣堅(jiān)硬的木質(zhì)陶瓷化合物，比一般木材硬度提高}0%一1}0}，但結(jié)構(gòu)外觀仍像木材「}} }6}.木材是多孔體，具有流體可滲透性，但是其滲透性大小表現(xiàn)出的差異非常大，這是木材構(gòu)造特點(diǎn)所致，木材的孔隙包括細(xì)胞腔、細(xì)胞間隙、紋孔以及微毛細(xì)管，這些孔隙尺度大小從納米級到微米級、毫米級均有分布;溶膠流體滲透木材的難易程度與紋孔構(gòu)造有關(guān)系，不同木材或同種木材的不同部位常因?yàn)槌槌鑫锏亩氯?、結(jié)殼物的鑲嵌和紋孔膜的偏移，從IfIJ使木材具有不同的滲透性。

將無機(jī)粘土與木材廢料用高溫?zé)Y(jié)的方法制成了被稱之為木陶瓷復(fù)合材的復(fù)合材料.開展了粘土與木材的比例對材料孔隙率及噪音衰減系數(shù)和透水率影響的相關(guān)研究。

我國加入世貿(mào)組織后，政治、經(jīng)濟(jì)將產(chǎn)生深刻的社會影響.我國木材工業(yè)的原料、市場、技術(shù)會進(jìn)一步全球化，競爭將是全方位的.在這種情況下，木材工業(yè)不能固守在傳統(tǒng)行業(yè)的狹小領(lǐng)域內(nèi)，}fn必須跨出去，滲透到其他行業(yè)領(lǐng)域，作為木材科學(xué)與技術(shù)研究，要具有超前性、前瞻性，注重邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科的培養(yǎng)和發(fā)展，發(fā)揮木材的優(yōu)勢，為木材工業(yè)爭取更大的發(fā)展和生存空間。

木材陶瓷是木材學(xué)和材料學(xué)兩個(gè)學(xué)科內(nèi)容交叉研究的成果，對十新材料的開發(fā)和研究具有有益的啟示。

利用木材所具有環(huán)境協(xié)調(diào)性的優(yōu)勢，可以將木材從建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料研究領(lǐng)域向功能材料領(lǐng)域跨越.木材陶瓷在材料的熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)方面已經(jīng)顯示出誘人的前景;木材碳化硅陶瓷有望在生物材料方面得到應(yīng)用;依據(jù)環(huán)境材料的概念和理論指導(dǎo)，將LCA(life cycle assessment)方法應(yīng)用十產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，指導(dǎo)開發(fā)陶瓷化復(fù)合木材，可以預(yù)見陶瓷化復(fù)合木材將作為具體的環(huán)境材料，代表環(huán)境材料具體研究與開發(fā)的典型.由此形成的新技術(shù)，對木材工業(yè)的發(fā)展作用不可低估。

專業(yè)用于測量現(xiàn)澆樓板等非金屬、混凝土或墻、柱、梁、木材陶瓷等其他非鐵磁體介質(zhì)的厚度。

木材作為傳統(tǒng)的材料，一直為人類所利用。隨著自然資源和人類需求發(fā)生變化和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，木材利用方式從原始的原木逐漸發(fā)展到鋸材、單板、刨花、纖維和化學(xué)成分的利用，形成了一個(gè)龐大的新型木質(zhì)材料家族，如膠合板、刨花板、纖維板、單板層積材、集成材、重組木、定向刨花板、重組裝飾薄木等木質(zhì)重組材料，以及石膏刨花板、水泥刨花板、木/塑復(fù)合材料、木材/金屬復(fù)合材料、木質(zhì)導(dǎo)電材料和木材陶瓷等木基復(fù)合材料。

木質(zhì)材料在建筑、家具、包裝、鐵路等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。在不可再生資源日益枯竭、人類社會正在走向可持續(xù)發(fā)展的今天，木材以其特有的固碳、可再生、可自然降解、美觀和調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境等天然屬性，以及強(qiáng)度-重量比高和加工能耗小等加工利用特性，將為社會的可持續(xù)發(fā)展做出顯著貢獻(xiàn)。

與其他材料相比，木材具有多孔性、各向異性、濕脹干縮性、燃燒性和生物降解性等獨(dú)特性質(zhì)，如何更好地利用這些特性和最大限度地限制其副作用，是木材科學(xué)家和工程技術(shù)專家長期努力解決的主要問題。林學(xué)家也積極參與木材科學(xué)研究，從樹木的遺傳學(xué)角度認(rèn)識和改良木材的基本特性。木質(zhì)材料主要分為木質(zhì)板材、木質(zhì)型材、木質(zhì)線材、木質(zhì)片材、竹制品等類別。