陶瓷化复合木材复合方法与性能的基础性研究

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1、摘要陶瓷化复合木材是以木材为基体，无机非金属物质为增强体，通过适当的复合工艺而得到的一种新型复合材料。以复合材料理论和技术方法来研究陶瓷化复合木材，赋予木材和陶瓷这两种传统材料以新的内涵，具有明确的科学目的和意义，即：改进和提高人工林木材物理力学性能、耐腐性、阻燃性和尺寸稳定性；借鉴材料研究理论和技术，利用边缘学科、交叉学科研究的优势来开展创新研究，为开发新的木质材料制造技术提供科学依据和理论基础。本文以我国丰富的人工林卜∞杨树(Popu]usdelwidez)木材为原料，采用溶胶～凝胶的方法来

2、制备陶瓷化复合木材。为了获得性能优良的材料，满足在家具用材、室内装饰用材和室外建筑用材等应用方面的要求，在制备方法上采用先制各溶胶，然后浸注木材的工艺技术，利用真空加压设备强化溶胶向木材的渗透和扩散，保证溶胶最大限度地进入木材内部，其目的是一方面在木材孔隙内形成凝胶，起到填充作用，另一方面为凝胶与木材细胞壁发生键合作用提供条件。研究结果表明：1．凝胶对木材孔隙的填充是有效的。凝胶主要填充在导管和木纤维的细胞腔内，沿着细胞壁分布，凝胶紧密而充实，呈棒状、片装：在木材导管胞间层孔隙内凝胶呈串珠状，而

3、细胞壁纹孔内的凝胶呈颗粒状。与利用细胞壁吸附水水解获得溶胶的研究方法相比，陶瓷化复合木材的平均增重率由36．1％提高到8l_3％。2．红外光谱研究表明，陶瓷化复合木材960cm。处新增加了一个吸收峰，它是凝胶与木材细胞壁发生缩合反应形成了Si--O--C键引起的。比较X光电北京[业大学工学博士学位论文子能谱(XPS)，陶瓷化复合木材与凝胶的Si2p的谱峰产生了化学位移，说明其化学环境发生了变化，从另一个方面证实了Si—O—C的存在。3．溶胶进入木材后，所发生的核心反应是缩合反应，它一方面是自身的

4、缩合反应，另一方面是溶胶与木材细胞壁上的羟基发生缩合反应，其结果是Si02凝胶部分与纤维素发生键合，部分以物理填充方式存在于木材空隙内，从而实现将无机Si02复合到木材组织内的目的，使材料性能得到优化或改善。与未处理杨树木材相比，陶瓷化复合木材顺纹抗压强度和径向抗压强度分别提高了604％和1023％：弦向干缩率为未处理材的46．1％。4，通过甲基三乙氧基硅烷(MTES)与正硅酸乙酯(TEOS)共水解，在凝胶网络中引入--CH，，利用这种改性溶胶来制各陶瓷化复合木材，可以进一步改善材料的性能。--

5、CH3可以降低凝胶网络内应力，改善凝胶的脆性，同时疏水基团--CH3还可以降低凝胶的吸水性，因而材料的尺寸稳定性、耐风化和耐腐朽性能都得到提高。试验表明陶瓷化复合木材在沸水煮沸1．5h，重量损失6-2％；在水中浸泡2h，吸水增重5．4％；在室温饱和蒸汽里处理12h，其吸湿性为无机质复合木材的40％，相当于对照木材的50％；增重率为80．5％的陶瓷化复合木材，其径向、弦向和体积干缩系数分别相当于对照杨木的50．4％、46．1％和49．6％。在室外风化270d的陶瓷化复合-衣44重量损失率是3．4％

6、，为对照杨木的493％，而顺纹抗压强度下降了20％；在土壤中自然腐朽270d，重量减少8．9％，径向抗压强度下降了19．7％。陶瓷化复合木材有效减缓了木材热分解的温度，在750℃时重量保存率为76％，提高了陶瓷化复合木材的阻燃性能。上述表明，本文在科学理论方面，提出了陶瓷化复合木材的复合结构模型，即凝胶既填充木材孔隙而且还与细胞壁发生键合作用。在工艺方法上，采用先制备溶胶，然后浸注木材的工艺方法具有原料利用率高、提高增重率的优点；采用甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯共水解的方法，将甲基引入陶瓷化复合

7、木摘要材的凝胶内部，所制备的材料具有尺寸稳定性好、具有而j风化和耐腐朽性，强度高的特点；首次利用x射线光电子能谱，发现了Si2p、Ols和cls谱峰发生了明显的化学位移，证实了Si—O—c键合作用的存在。关键词溶胶一凝胶法陶瓷化复合木材改性溶胶环境材料Il北京工业大学工学博士学位论文ABSTRACTCeramic—woodcompositeisakindofnewcompositematerials，whichisproducedbyanappropriatecompositemethodwit

8、hwoodaSmatrixandinorganicceramicasreinforcement．ThestudyofCeramic-woodcompositebasedoncompositematerial’Stheoryandtechnologyendowedthewoodandceramicofthosetwotraditionalmaterialswithnewmeaningandhadspecificallyscientifcandsignificantmeaningasfollows：