木質(zhì)陶瓷的研究進展

木質(zhì)陶瓷的研究進展

木陶瓷是近年來迅速發(fā)展的一種新型環(huán)境友好材料。木陶瓷的概念最早由日本工業(yè)領域的岡部敏彥等人提出。在熱固性木材浸泡后，在高溫下轉(zhuǎn)化為多孔碳材料。后來，木陶瓷的研究引起了各國科學家的關注。生產(chǎn)木陶瓷的原料可以用作木材、農(nóng)業(yè)稻草、甘甘蔗、紙板等。因此，對于資源的重復利用具有重要意義。木陶瓷具有硬度高、耐腐蝕性好、耐腐蝕性好、磁性屏蔽等優(yōu)點。此外，由于多孔材料的密度通常只有1.0噸和3m，相當于環(huán)氧樹脂和烯烴樹脂，只有氧化鋅的1.3%。木陶瓷廣泛應用于工業(yè)領域，不僅可以用作建筑材料，還可以用作功能材料。1制凈素的工藝和材料機1.1以液化木材取代酚醛樹脂將木材或其它木質(zhì)材料初加工成粉末、纖維等形態(tài),再將其浸漬在酚醛樹脂中,一定溫度下壓制成型,固化后,在焙燒爐中經(jīng)300～2800℃高溫炭化,得到木質(zhì)陶瓷.其制品可根據(jù)需要切割成各種形狀.也可以直接以中密度纖維板為原料,浸漬在酚醛樹脂中,再經(jīng)高溫炭化得來.反應結(jié)束后,木材生成軟質(zhì)的多孔炭,樹脂生成硬質(zhì)的玻璃炭.合成酚醛樹脂的兩種單體,一種是苯酚,來自石油工業(yè),為不可回收資源,另一種單體甲醛,是一種有毒的化合物;此外,酚醛樹脂雖然能夠提高木質(zhì)陶瓷的強度,但也會降低其表面積.因此,有研究者提出,以液化木材[固體木材在被過量的液態(tài)有機物(苯酚或乙醇的化合物)處理及在酸(如硫酸)的催化作用下,轉(zhuǎn)化成液體狀態(tài)]代替酚醛樹脂.例如,以苯酚與硫酸為溶劑,與木粉在150℃混合并充分攪拌,反應3h,然后用過量的蒸餾水洗滌幾次,除去自由的苯酚,再將其碾磨成10nm的粉體后與木粉以一定的比例混合,在室溫下模壓,最后在真空爐中炭化制取木質(zhì)陶瓷.也有以中密度纖維板浸漬在液化木材(以1∶1的乙醇稀釋)中,然后在一定溫度下,在真空爐中炭化得到木質(zhì)陶瓷.以液化木材代替酚醛的方法可降低酚醛樹脂的用量,提高可再生資源的利用效率.研究表明,以木材為原料制取木質(zhì)陶瓷板材,其尺寸的最大限度為30cm×30cm×4cm.原因主要有兩個:其一,原材料分子裂解后的氣態(tài)產(chǎn)物從材料內(nèi)部脫離時,將會導致彎曲和裂紋;其二,熱固性的酚醛樹脂不能釋放在炭化過程中引起的內(nèi)部應力.為了克服這個難題,研究者將竹纖維在800℃下炭化2h后得到的軟炭纖維與液化木材(以2∶1的乙醇稀釋)為原料制取木質(zhì)陶瓷,并通過實驗研究了炭化溫度與木質(zhì)陶瓷尺寸收縮率之間的關系.結(jié)果發(fā)現(xiàn),木質(zhì)陶瓷的尺寸收縮率隨炭化溫度的上升僅略有升高,800℃時其尺寸收縮率小于5%;而通常情況下,以未經(jīng)炭化的木質(zhì)材料浸漬酚醛樹脂并在800℃下炭化,尺寸收縮率高達30%,而巨大的體積收縮正是導致產(chǎn)生彎曲和裂紋的元兇.此外,作為原材料之一的液化木材是熱塑性樹脂,在炭化過程中,它首先變成熔融狀態(tài),然后分解成炭,熔融狀態(tài)的液化木材能夠釋放樣品中的殘余應力.可見,這種方法的確能夠有效地提高木質(zhì)陶瓷制品的尺寸穩(wěn)定性、力學性能和可靠性.1.2化合物結(jié)構(gòu)的碳化合物縮合反應炭化在300～2800℃溫度范圍內(nèi)進行,木材和樹脂的分子鏈皆發(fā)生了一系列重大變化,對于木材組分,炭化溫度位于250～310℃時,脫水作用發(fā)生,纖維素解聚形成新的碳氫化合物結(jié)構(gòu),炭化溫度位于400～500℃時,碳氫化合物縮合形成芳香族化合物的多環(huán)結(jié)構(gòu);與此同時,酚醛樹脂在300～400℃發(fā)生解聚,在400～500℃縮合形成芳香族多核結(jié)構(gòu).隨著炭化溫度的進一步升高,木炭排列的有序化程度提高,但當溫度高于650℃時,由于溫度繼續(xù)升高,引起裂紋等缺陷出現(xiàn),使得木炭最終只能部分結(jié)晶,即木炭中包含了無定形組分及石墨晶體組分.酚醛樹脂炭化后形成玻璃態(tài)的硬炭,硬炭是難于石墨化的.通過對木質(zhì)陶瓷表面形貌的觀察發(fā)現(xiàn),木炭保持了原來木材的管孔結(jié)構(gòu),玻璃炭位于木炭之間起連接和增強作用.2木質(zhì)陶瓷的性能2.1炭化溫度對木粉壓縮強度的影響木質(zhì)陶瓷的楊氏模量和斷裂強度與酚醛樹脂的用量有關,酚醛樹脂的用量越大,楊氏模量和斷裂強度越高.據(jù)Zhao等對以木粉與苯酚鹽木粉為原料制備的木質(zhì)陶瓷的研究,木質(zhì)陶瓷的壓縮強度與苯酚鹽木粉的用量有關,苯酚鹽木粉的用量越大,生成的玻璃炭越多,玻璃炭有利于提高木炭之間的結(jié)合強度,因而壓縮強度越大.此外,Hirose研究發(fā)現(xiàn),木質(zhì)陶瓷的壓縮強度與炭化溫度存在如下關系:在400～500℃溫度區(qū)間內(nèi),壓縮強度隨溫度的升高而緩慢降低,在500℃以上壓縮強度隨溫度的升高而增大.錢軍民等對木質(zhì)陶瓷抗彎強度的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律,他認為木質(zhì)陶瓷的抗彎強度與原料木材的結(jié)構(gòu)及種類無關,而與酚醛樹脂的用量、原料木粉的粒徑、分散性及制備與炭化過程的工藝參數(shù)有關.Hirose等以中密度纖維板和酚醛樹脂為原料制備了木質(zhì)陶瓷,并研究了其力學性能.得出的結(jié)果是:木質(zhì)陶瓷的壓縮強度隨炭化溫度的升高先下降,在500℃時達到最低點,然后隨炭化溫度的升高而上升,在800℃時達到最大值,在800～2500℃溫度范圍內(nèi),壓縮強度基本保持不變;在相同的炭化溫度下,木質(zhì)陶瓷的壓縮強度和楊氏模量隨酚醛樹脂浸漬量的增大而增大;在800℃炭化溫度下,相對密度約為0.9時,楊氏模量具有最大值為5GPa,壓縮強度具有最大值為80MPa,斷裂韌性具有最大值為0.6MPa·m0.5,斷裂韌性的最大值與各向同性多晶體石墨的相當,但要低于普通的工程陶瓷,如Si3N4的斷裂韌性值為4MPa·m0.5.2.2工藝條件對項目總電阻率的影響Shibata以廢紙和酚醛樹脂為原料制備木質(zhì)陶瓷,研究了其電磁屏蔽效能.結(jié)果表明,電屏蔽效率在100MHz時為30dB,300MHz以上時為40～46dB;磁屏蔽效率在100MHz時為30dB,400MHz時為37dB.木質(zhì)陶瓷的電磁屏蔽性能與木質(zhì)陶瓷具有多孔結(jié)構(gòu)且本身具有導電性,以及空隙內(nèi)的介電質(zhì)產(chǎn)生的巨大介電損耗有關.Hirose研究表明,木質(zhì)陶瓷的電阻率與溫度的關系與半導體相似:電阻率隨溫度的升高而減少.Shibata在對以廢紙和酚醛樹脂為原料制造的木質(zhì)陶瓷的研究中得出了相同的規(guī)律,這種木質(zhì)陶瓷在1273K的電阻率為10-2Ω·cm,大于或等于其它導電防護材料.Zhao等的研究發(fā)現(xiàn),電阻率的大小與兩種組分炭的界面結(jié)合有關,界面結(jié)合越強,意味著玻璃炭與多孔炭之間的接觸點越多,即電阻率越小,換句話說,生成的玻璃炭越多,電阻率就越小.一定工藝條件下,中密度纖維板/酚醛樹脂木質(zhì)陶瓷的電阻率為0.05～0.10Ω·cm,中密度纖維板/液體木材木質(zhì)陶瓷的電阻率為0.05～0.10Ω·cm,木粉/苯酚鹽木粉木質(zhì)陶瓷的電阻率為0.05～0.20Ω·cm.錢軍民等以椴木木粉和酚醛樹脂為原料制備木質(zhì)陶瓷,通過實驗研究發(fā)現(xiàn),電阻率隨原料中酚醛樹脂含量的提高而減小.這是因為木質(zhì)陶瓷的電阻包括三部分:玻璃炭電阻、木炭電阻和界面電阻,玻璃炭電阻為3.6×10-5～4.1×10-5Ω·cm,遠低于木炭的電阻,因此,原料中酚醛樹脂的用量越大,則生成的玻璃炭越多,且由酚醛樹脂生成的玻璃炭與由木粉生成的多孔炭之間的接觸面積越大,即界面電阻越小,從而電阻率大大降低.此外,炭化溫度對電阻率的影響較大,炭化溫度越高,電阻率越小.2.3溫度對熱容的影響木質(zhì)陶瓷的熱容與炭化溫度及環(huán)境溫度有關,Kano以中密度纖維板和酚醛樹脂為原料制取木質(zhì)陶瓷,用差熱法(DSC)得出的結(jié)果是:木質(zhì)陶瓷的熱容與炭化溫度及環(huán)境溫度有關;800℃炭化后,木質(zhì)陶瓷在室溫下的熱容為1.0J/(g·k),隨溫度的升高,熱容增大,在100℃左右達到峰值5.5J/(g·k),然后隨溫度的升高,熱容反而減小,150℃以上熱容值大致在2.0～1.0J/(g·k)之間.峰值這種反常現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于多孔的木質(zhì)陶瓷在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生吸熱、脫水過程造成的;2800℃炭化后,木質(zhì)陶瓷呈現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性,木質(zhì)陶瓷在室溫下的熱容為0.5J/(g·k),熱容隨溫度的升高而呈線性增大,280℃時熱容為0.94J/(g·k).總得說來,木質(zhì)陶瓷的熱容比金屬以及合金大,接近于橡膠、紙、石英和水泥.2.4結(jié)論:改性陶瓷的減振能力當木質(zhì)陶瓷用作電刷、圓盤制動器、軸承套管等時,在使用過程中它們不可避免要遭受到機械振動,這就要求木質(zhì)陶瓷必須具有較好的減振性能.Zhang等用中密度纖維板浸漬酚醛樹脂(兩者的質(zhì)量比為1∶1)制取木質(zhì)陶瓷,對其施加一個正弦波的彎曲振動,來研究其減振性能.結(jié)果發(fā)現(xiàn),在室溫條件下木質(zhì)陶瓷的減振能力隨著振動頻率和應變振幅的增加而增長,增長的速度與燒結(jié)溫度有關,燒結(jié)溫度越高,增長的速度越慢;木質(zhì)陶瓷的減振性能隨著測試溫度的升高而減弱,減弱的速度與燒結(jié)溫度有關,燒結(jié)溫度越低,減弱的速度越快.木質(zhì)陶瓷的減振性能主要與木質(zhì)陶瓷中存在的大量缺陷有關:由于木質(zhì)陶瓷是由無定形炭和玻璃炭這兩種非晶質(zhì)炭所構(gòu)成的,碳原子之間存在大量的空穴和間隙原子,在外界載荷的作用下,空穴和間隙原子將發(fā)生不可逆的運動,從而消耗系統(tǒng)的能量;木質(zhì)陶瓷可看作是玻璃炭與無定形炭構(gòu)成的C/C復合材料,它們之間存在的大量界面能起到良好的減振作用;木質(zhì)陶瓷是一種多孔材料,在較深的木炭細胞壁周圍,有增強細胞壁作用的玻璃炭生成量比較少,因此,這個區(qū)域的微孔周圍容易發(fā)生應力集中及狀態(tài)轉(zhuǎn)變,即外力作用下,將會導致原子發(fā)生重排以及原子間的粘性滑動,從而消耗能量起到減振的效果.2.5油潤滑作用下的摩擦學性能Akagaki以中密度纖維板和酚醛樹脂為原料制備了木質(zhì)陶瓷,在滑移線速度和載荷分別為1.0～19.0m/s和98～294N的條件下,研究了其在油潤滑和水潤滑作用下的摩擦性能.研究結(jié)果表明:在油潤滑作用下,木質(zhì)陶瓷的摩擦系數(shù)和磨損率很小,摩擦系數(shù)恒為0.12,與線滑移速度無關,磨損率為5×10-7～2×10-6mm3/(N·m),摩擦系數(shù)與磨損率隨載荷的增大反而減小;在水潤滑作用下,滑移線速度小于12m/s時,摩擦系數(shù)與磨損率很小,分別為0.16和3×10-7～2×10-6mm3/(N·m),滑移線速度大于12m/s時,摩擦系數(shù)與磨損率隨之增大.研究證實了木質(zhì)陶瓷作為在水或油中操作的滑動軸承具有很好的實用性.3木本粒子及其它陶瓷除上述性能之外,木質(zhì)陶瓷還具有優(yōu)良的遠紅外性能及傳感性能等.由于木質(zhì)陶瓷具有的這一系列特殊性能,其應用領域十分廣泛,如可用作吸附劑、自潤滑材料、濕度-溫