木材陶瓷

1990年，口本青森工業試驗場的岡部敏弘和齋藤幸司採用木材(或其他木質材料，如中密度纖維板、廢紙)在熱固性樹脂中(如酚醛樹脂)浸漬後真空炭化而成.燒結温度在800-1 200℃，在這個過程中，木材形成了軟質無定型碳，樹脂形成硬質玻璃碳，由此而得到的一種新型多孔碳素材料，稱之為木材陶瓷(woodceramics)。儘管木材陶瓷的原料採用了有機物質浸漬，但經高温炭化後變為無機碳，從廣義上講，凡具有金屬離子鍵的無機物質均可稱為陶瓷，所以這種碳素材料也是一種陶瓷，其結構特性介十傳統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，它是具有多孔結構的塊狀物體，其結構特性介十傳統的炭和新興的碳纖維或石墨之間。

這種材料發明以後，得到了口本材料，學界和木材學界的廣泛關注，許多學者研究了它的電磁、物理、機械和屏蔽特性，並且利用磁管濺射技術，以木材陶瓷為靶材，以玻璃或鋁板為襯底，製備了木材陶瓷薄膜圖2為木材陶瓷一種較常見的生產工藝流程圖。木材或木質纖維在酚醛樹脂內浸泡或混合，然後送入焙燒爐中在惰性氣體的保護下高温炭化得到木材陶瓷，經切割加工後得到製品。

雖然木材陶瓷最初的應用設想是基十其碳素導電和多孔結構的電磁屏蔽材料，但進一步的研究表明，它有着更廣闊的應用前景:

1、輕量、比強度高，可作構造用材；

2、硬質、耐磨，可作摩擦材料；

3、結構多孔，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，可應用十高温、腐蝕環境中；

5、導熱，有良好的遠紅外發射功能，是大有前途的房暖材料；

6、是理想的環境材料。其原料木材在合理開發使用下是可循環利用的資源，是許多枯竭性資源的極具前景的代用品。木材陶瓷的副產品為木醋酸，它是農業土壤改良劑和防蟲防菌劑。木材陶瓷使用後仍可做吸附劑，廢棄時也可破碎做土壤改良劑，沒有環境負擔.同樣重要的是，它使碳得以大量固定(約172kg /m3)，從Ifn有利十温室效應的抑制；

7、經濟性好，能大批量生產。

生物系統能構成與外界環境最佳匹配的化學結構.天然形成類似陶瓷結構的無機化合物需要相當長的時間.如果利用闊葉樹環孔材孔隙結構作為陶瓷滲入和反應工藝的“模具”，合成速度可大大提高，籍此可形成一種木質結構陶瓷，這種以生物系統作為設計方案和材料合成的思想可概括為生物擬態

德國研究者把木材先烘乾，去掉水分，然後將木材在1 800 0C的温度下真空炭化，得到網狀多孔結構的碳化物材料，接着將其轉入到1 6000C下盛有熔融的無機硅爐子裏，生成碳化硅陶瓷，這種材料有望用作人工骨關節以及在航空、航天領域作為耐高温、防熱結構材料。

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的工業硅粉為原料，先將木材在120 0C温度下烘乾，然後像製造木材陶瓷那樣在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，在1 6000C的真空爐內加熱，最後形成碳化硅複合材料.用XRD分析表明，這種複合材料裏包含p}SiC和自由硅兩種物相，彎曲強度達到100-300 MPa，是木材陶瓷的10倍.由十良好的機械性能及碳化硅陶瓷的耐高温、耐腐蝕，具有木質細胞結構的陶瓷複合材料有可能在生物過濾工藝、醫學移植體、催化劑載體以及高温輕型結構材料等領域獲得廣泛應用。

採用類似溶膠一凝膠工業合成陶瓷的方法，選取均勻的木材試樣，按測試要求切成一定形狀尺寸，經清洗、乾燥和吸濕處理，以正硅酸乙酷(TOES)作為陶瓷前驅體浸漬劑的主要成分，在專用設備中將陶瓷前驅體浸漬液加壓0 . 2-}-1. 0 MPa，注入木材中，在不同的温度下養護不同時間，注入木材細胞壁中的陶瓷前驅體經水解、縮合反應形成SiO2,凝膠，其中部分與纖維素發生鍵合，部分以物理填充方式存在十微毛細管中，最後得到陶瓷化木材.研究結果表明:陶瓷化處理後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，熱分解温度提高，未處理木材在450 0C時已分解完畢，Ifn處理木材可持續到550 0C }。

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

無機質複合木材是指通過陽離子和陰離子交替擴散浸透到木材孔隙中發生無機反應，生成非水溶性鹽}fib製得的複合木材.

本京都大學木材研究所將原木在水中浸泡後，放進含硫酸鋇溶液中，再放進含硼酸的磷酸二氫氨水溶液中浸泡，最後經洗滌、乾燥I fib製得無機質複合木材，由十生成的不溶十水的無機鹽填充在木材孔隙內，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，同時保持了木材原有的自然質感，提高了硬度.用類似的工藝方法中請了稱之為陶瓷木材製備方法的中國專利.用一定濃度的工業級氯化稀土溶液處理木材.當載藥量為3. 8 mg / cm3時，木材的斷口硬度提高約30，經防腐實驗，10周後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乾燥後獲得被稱之為陶瓷木材的複合材料.為改善二倍體毛白楊木材的性質，先後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合，在細胞間隙和導管的胞腔中生成硅酸鋁沉澱，得到毛白楊無機複合木材，其阻燃性和硬度有較大的改善。

美國報道了一種石化木材(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，然後在140 0C下窯幹固化，在常壓下浸入深度為5mm,若在一定的壓力下或在高温下固化會得到像岩石一樣堅硬的木質陶瓷化合物，比一般木材硬度提高}0%一1}0}，但結構外觀仍像木材「}} }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出的差異非常大，這是木材構造特點所致，木材的孔隙包括細胞腔、細胞間隙、紋孔以及微毛細管，這些孔隙尺度大小從納米級到微米級、毫米級均有分佈;溶膠流體滲透木材的難易程度與紋孔構造有關係，不同木材或同種木材的不同部位常因為抽出物的堵塞、結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。

將無機粘土與木材廢料用高温燒結的方法制成了被稱之為木陶瓷複合材的複合材料.開展了粘土與木材的比例對材料孔隙率及噪音衰減係數和透水率影響的相關研究。

我國加入世貿組織後，政治、經濟將產生深刻的社會影響.我國木材工業的原料、市場、技術會進一步全球化，競爭將是全方位的.在這種情況下，木材工業不能固守在傳統行業的狹小領域內，}fn必須跨出去，滲透到其他行業領域，作為木材科學與技術研究，要具有超前性、前瞻性，注重邊緣學科、交叉學科的培養和發展，發揮木材的優勢，為木材工業爭取更大的發展和生存空間。

木材陶瓷是木材學和材料學兩個學科內容交叉研究的成果，對十新材料的開發和研究具有有益的啓示。

利用木材所具有環境協調性的優勢，可以將木材從建築材料、結構材料、複合材料研究領域向功能材料領域跨越.木材陶瓷在材料的熱學、光學、電磁學方面已經顯示出誘人的前景;木材碳化硅陶瓷有望在生物材料方面得到應用;依據環境材料的概念和理論指導，將LCA(life cycle assessment)方法應用十產品設計和生產中，指導開發陶瓷化複合木材，可以預見陶瓷化複合木材將作為具體的環境材料，代表環境材料具體研究與開發的典型.由此形成的新技術，對木材工業的發展作用不可低估。