[发明专利]一种木质素陶瓷的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种木陶瓷的制造工艺，特别是涉及一种以工业木质素为原料，方法简单而产品强度较高的木陶瓷制造工艺。

背景技术

随着人们对环境的重视，新型生态环境材料成为世人关注的焦点。利用废弃可再生的生物资源制备高性能的新材料，逐步减少不可再生资源的消耗，对于保护地球环境具有重大意义。木陶瓷就是基于“利用废弃可再生材料，创生高性能新材料”的思想而开发出的一种新型炭材料。木陶瓷是日本学者岡部敏弘(Toshihiro Okabe)等于1990年提出的，将木质材料经酚醛树脂浸渍处理、干燥固化后在真空(或氮气保护)下高温烧结而成的新型多孔炭材料。原材料价格低廉，来源广泛，废纸、废弃木材等都可作为其原料，加工制造过程中没有环境污染，且强重比高，在力学、热学、电磁学和摩擦学等方面具有优异的特性，经加工后可广泛用作电极、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，是21世纪某些不可再生材料的理想替代品，具有广阔的应用前景。

正是由于木陶瓷是一种高效利用木材“三剩物”制得的具备多种优异性能的新材料，近些年引起了科研人员越来越多的重视，如：西安交通大学的马荣等曾采用白松、桦木、青冈木与五合板为原料，浸渍酚醛树脂乙醇溶液，经树脂固化后，放入真空炉中，在N₂保护气氛中以5℃/min的速度分别升温至预定温度，保温4h后随炉冷却制得木陶瓷。根据其研究结果，不同树种的木陶瓷性能存在着较大差异。试样的各种性能一般在400℃～600℃左右出现较大转折，如密度、强度、硬度最低，气孔率最高，电阻率的下降从此变缓。这与木材和树脂在此温度区间发生剧烈反应而引起的物理、化学变化是相一致的。超过此温度后，各项性能都将趋于稳定。他认为，浸渍能有效地改善木陶瓷的性能，但弯曲强度、维氏硬度等性能有反常现象，说明树脂加入后有双向影响，即：树脂对气孔的填充与封闭并存、加强固定与限制削弱并存。具体表现为：因产生、消除封闭气孔，影响了密度，从而削弱了试样强度，增加了缺陷的产生。合肥工业大学的吴文涛等以甘蔗渣为原料，采用混合后热压再烧结的工艺制备木陶瓷，并对其密度、气孔率、强度、电阻率等性能进行了测试，对其性能特征、形成机理及规律进行了分析，初步展示了原料配比、酚醛树脂浓度、温度等参数对整个制备过程及木陶瓷性能的影响，实验结果证明了通过该工艺用甘蔗渣制备木陶瓷的可行性。上海交通大学的谢贤清等曾研究木陶瓷形态特征与阻尼性质，以及两者之间的关系，木陶瓷具有较大的阻尼值，在振幅和振动频率较高时更大。申请者曾针对木陶瓷的制造工艺、木陶瓷的耐磨性和力学强度、以及木陶瓷的孔隙结构等进行了系列的研究。研究采用酚醛树脂浸渍木质材料，经过高温烧结制得木陶瓷产品，产品得率、性能和炭材料组成等受树脂浓度和烧结温度影响较大。通过低温氮吸附法分析木陶瓷的孔隙结构，发现普通炭化物样品吸附能力很差，酚醛树脂处理为炭化物引入较多的微孔，吸附能力得到改善。通过扫描电子显微镜(SEM)观察，酚醛树脂对木材细胞壁有润胀、填充作用，从而增强细胞壁，很多树脂填充于交错纤维间的空隙中，增强了纤维与纤维间的结合。

日本学者在证明了木陶瓷有优异的耐磨、电磁屏蔽等特性后，研究开始转向木陶瓷在应用过程的一些相关性质，如Takahiro Fujino等研究了在100～800℃及压力高达100MPa的条件下热水处理时炭化木质材料的行为和稳定性，研究表明，由于高温和热水的侵蚀，木质材料表现出了明显的重量损失，在500℃以上，样品侵蚀更严重。Yasuko Oishi等还研究了木陶瓷在不同氧浓度下的热性质。另外，为了得到更加环境友好的木陶瓷，Takashi Hirose等用液化木材代替酚醛树脂浸渍废弃木质材料，并研究了炭化温度和炭化速率对该木陶瓷化学结构的影响。