1、甘蔗渣木材陶瓷化研究摘 要 报道了以甘蔗渣为原料，采用全新工艺制备木材陶瓷的研究，并对其性能进行了测试，对其形成机理及规律进行了分析，展示了工艺参数对制备过程及木材陶瓷性能的影响。实验结果证明了通过该工艺用甘蔗渣制备木材陶瓷的可行性，为甘蔗渣等植物残渣的综合利用及木材陶瓷的研究开辟了新的方向和空间。参考：http:/关键词 甘蔗渣 酚醛树脂 环境材料20 世纪 90 年代以来，在高新技术材料的研究中，出现了一个新的研究领域，即“环境材料”(Ecomaterials)。环境材料要求传统材料具有更优良的环境适应性，也包括直接改善环境的材料 1。环境材料的典型特点是其先进性、环境协调性以及舒适性。由
2、日本青森工业实验场开发出的木材陶瓷完全具备了这三大特点，是一种典型的环境材料 2。木材陶瓷是一种采用木材(或其它木质材料 )浸渍热固性树脂后真空 (或氮气保护)碳化而成的一种新型多孔质碳素材料，其中的木质材料在烧结后形成软质无定形碳，树脂生成硬质玻璃碳 3。在制备木材陶瓷的选料上，日本学者普遍使用的是原木和五合板，也有人用竹子等做过实验。本文首次以甘蔗渣为原料，采用混合后热压成型等工艺制备木材陶瓷，测定并研究了其主要性能及规律 4。一、实验（一）选料甘蔗渣的主要化学成分与木材相同，表 1 所列，完全可以代替原木制备木材陶瓷，减少了对原木的使用，实现了废物资源化。甘蔗渣用植物粉碎机破碎。实验所用
3、树脂为热固型酚醛树脂。表1 甘蔗渣与部分木质材料主要成分表原料名称 多缩戊糖（%） 纤维素（%） 木质素（%） 灰分（%）甘蔗渣 25.629.1 48.255.6 1820 24稻壳 1622 35.545 2126 11.422棉杆 20.76 41.42 23.16 9.47毛竹 21.12 45.50 30.67 1.10白杨 19.5 59.0 20.6 0.52桦木 24.9 53.5 22.5 1.17（二）试样制备与烧结将甘蔗渣分成 2 组，配料及其单位分别为:甘蔗渣，g；酚醛树脂，mL；酒精，mL ；固化剂，mL。第 1 组按甘蔗渣 酚醛树脂酒精固化剂=100505025 的
4、比例混合均匀，自然晾干后热压成 100mm50mm5mm 的试样。混合时加酒精的目的是为了稀释树脂，使得树脂与甘蔗渣充分浸润混合。将第 2 组按甘蔗渣酚醛树脂酒精固化剂=1007030 20 的比例混合均匀后压制成试样，并与第 1 组所得试样的尺寸相同。将热压成型的 2 组试样放入真空炉中，在氮气保护气氛中以 5/min 的速度分别升温至 300、400、500、600、700、800，并在每一温度保温 4h 后随炉冷却。二、性能测试及结果分析（一）残碳率残碳率为木材陶瓷的一个重要指标，计算方法为:残碳率=( 试样烧结后的质量试样烧结前的质量)100% 。图 1 所示为残碳率与温度变化的曲线图
5、。由图 1 可见，在 2 种不同配比条件下，其残碳率总体都随温度的升高及分解产物的不断逸出而降低。曲线 1 在 400以前的残碳率明显低于曲线 2，这主要是第 1 组的配比中甘蔗渣含量较高，而蔗渣在 100左右有一个失重，苷蔗渣的热分析图(图 3 所示) 也证明了这一点； 400以后，第 2 组的残碳率低于第 1 组，因为第 2 组的配比中酚醛树脂含量较高，而酚醛树脂的失重主要发生在400左右，这可从酚醛树脂的 MTA 曲线图( 图 2 所示)中得到证明，700以后，曲线渐趋平缓，因为甘蔗渣和酚醛树脂的主要反应已经结束。图1 两组试样残碳率与温度变化关系图温度/ 温度/1质量曲线 2热流曲线0
6、80 ）第 1 组第 2 组残碳率(%)70605040302010300 400 500 600 700 800图2 酚醛树脂的MTA曲线图 图3 甘蔗渣TGDSC曲线图（二）显气孔率2 组烧结试样的密度与显气孔率数据见表 2 所列。由表 2 可见，2 组试样的体积密度和真密度渍可阻碍木质材料的收缩而导致气孔增多，另一方面，树脂的填充又消除木质材料部分气孔。表2 2组烧结试样的密度与显气孔率数据原料 烧结温度（） 真密度（g/cm 3） 体积密度(g/cm3) 显气孔率（%）500 1.39 1.04 25600 1.48 1.02 31700 1.61 1.08 33甘蔗渣/7：3 酚醛树
7、脂溶液800 1.62 1.08 34500 1.51 0.88 42600 1.45 0.81 44700 1.63 0.91 44甘蔗渣/5：5 酚醛树脂溶液800 1.75 0.93 47（三）抗弯强度图 4 所示为温度与抗弯强度关系曲线图。由图 4 可看见，在 500以下的低温区间，随温度升高，2 组试样的抗弯强度呈降低趋势，于 500达最低值。然后随温度升高，抗弯强度又逐渐上升，这种变化趋势同国外用浸渍法制备的木材陶瓷的性能变化是一致的。木材陶瓷的抗弯强度随温度的变化趋势是其烧结过程中反应机理的表现。于 500以后试样物质逐渐稳定，随温度升高，碳化程度完全及玻璃碳成分的增加，木材陶瓷
8、的抗弯强度也逐渐上升。从图 4 还可以发现，第 2 组的抗弯强度在同一温度下略低于第 1 组，这可能出于两方面原因:第 2 组的树脂浓度高于第 1 组，这必然影响浸渍效果，从而进一步影响树脂对木质材料的强化作用；另一方面又一次说明了树脂对木材陶瓷性能的双重影响，树脂的强化同时也是对材料烧结过程中形变的抑制，这种抑制必然造成材料内部产生缺陷，而强度对缺陷的敏感性是不言而喻的。（四）电阻率2 组试样的电阻率数据见表 3 所列，从表 3 可见，随温度升高，2 组试样的电阻率急剧下降。试样在 400以下，基本保持绝缘状态，500600间由几乎不导电转为导电，之后，电阻率变化平缓，达 800 ，电阻率达
9、到 10-2 cm 量级，这比国外的报道要理想得多。在文献 3中，800的电阻率为 100cm 量级。结果表明，用此法制备的木材陶瓷比用传统的浸渍法制备的试样在同一温度下的石墨化程度要充分得多。虽然烧结后由木质材料和酚醛树脂转化成的软质无定形碳和硬质玻璃碳在本质上都属于碳的无定形结构，是不具有金刚石和石墨结构的非结晶性物质，但从 X 射线的衍射中已经查明，它们的结构中都含有石墨微晶。由实验数据可得出的另一个结论是电阻率变化顺序与其密度变化顺序恰相反，说明试样的导电状态在很大程度上受密度影响。图 5 所示为由电阻率对数同温度关系图，由图 5 可看出，第 1 组试样在同一温度下的电阻率均比第 2组
10、试样的电阻率要小，这也支持了电阻率同密度的关系理论。表3 2组烧结试样各温度下电阻率数据温度（） 500 600 700 8007：7：3 组 27880 28.8 0.51 0.082电阻率（.cm）5 5：5 组 27600 13.8 0.47 0.072图4 两组试样抗弯强度与温度变化关系01234567300400500600700800温度（度）抗弯强度（MPa）5:5 组7:3 组图4 两组试样抗弯强度与温度变化关系图-2 1 0 1 2 3 4 5 50 60 70 80 T（ ） lg 5:组 73组图5 两组试样电阻率对数与温度变化关系图三、结论混合后再热压的方法同传统的浸渍
11、法一样，可以制备出具有良好性能的木材陶瓷，且其导电性能明显优于浸渍法制备的材料；浸渍酚醛树脂可提高木材陶瓷的残碳率和密度，改善其抗弯强度，降低木材陶瓷的电阻率，浸渍对气孔率及强度的双重影响也得到了证明；第 1 组的浸渍效果优于第 2 组，说明了稀释剂对浸渍的双重影响，即高浓度的稀释剂黏度大，难于进入植物气孔，而稀释过分的浸渍剂虽易进入气孔，但其树脂含量低，浸渍效果也不好；烧结温度对木材陶瓷的影响同浸渍法一样，材料的各种性能一般在 500左右出现转折，在 500前后变化平缓，呈 V 字型，这与材料组分的反应机理一致。参考文献1 山本良一. 环境材料M. 王天民译. 北京:化学工业出版社，1997
12、. 1-112 党静云. 环境材料的发展势在必行J. 山东建材，1999，(1): 20-213 OkabeT，Saitok .Development of woodceramics A. Yamamoto R. Proceedings of the 3rd IUMRS InternationalConference of MaterialsC. Amsterdam: Elsevier Science BV，1994. 681-684.4 吴文涛 .植物残渣综合利用新探索D. 昆明: 昆明理工大学环境科学与工程学院，1998.5 Hayashik. Fracture strength of woodceramicsM .London: Peter Peregrinus，1997. 100
