專利名稱：一種木質素陶瓷的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種木陶瓷的制造工藝，特別是涉及一種以工業(yè)木質素為原料， 方法簡單而產(chǎn)品強度較高的木陶瓷制造工藝。
背景技術：
隨著人們對環(huán)境的重視，新型生態(tài)環(huán)境材料成為世人關注的焦點。利用廢 棄可再生的生物資源制備高性能的新材料，逐步減少不可再生資源的消耗，對 于保護地球環(huán)境具有重大意義。木陶瓷就是基于"利用廢棄可再生材料，倉性高 性能新材料"的思想而開發(fā)出的一種新型炭材料。木陶瓷是日本學者岡部敏弘
(ToshihiroOkabe)等于1990年提出的，將木質材料經(jīng)酚醛樹脂浸漬處理、干 燥固化后在真空(或氮氣保護)下高溫燒結而成的新型多孔炭材料。原材料價 格低廉，來源廣泛，廢紙、廢棄木材等都可作為其原料，加工制造過程中沒有 環(huán)境污染，且強重比高，在力學、熱學、電磁學和摩擦學等方面具有優(yōu)異的特 性，經(jīng)加工后可廣泛用作電極、發(fā)熱體、電機炭刷、剎車襯里、耐腐蝕材料、 絕熱材料、過濾材料等，是21世紀某些不可再生材料的理想替代品，具有廣闊 的應用前景。
正是由于木陶瓷是一種高效禾擁木材'三剩物'帝幌的具備多種優(yōu)異性能的 新材料，近些年弓胞了禾輛開人員越來越多的重視，如西安頓大學的馬榮等 曾采用白松、樺木、青岡木與五合板為原料，浸漬酚醛樹脂乙醇溶液，經(jīng)樹月旨
固化后，放入真空爐中，在N2保護氣氛中以5"C/min的速度分別升溫至預定 溫度，保溫4h后隨爐冷卻制得木陶瓷。根據(jù)其研究結果，不同樹種的木陶瓷性 能存在著較大差異。試樣的各種性能一般在40(TC 60(TC左右出現(xiàn)較大轉折， 如密度、強度、硬度最低，氣孔率最高，電阻率的下降,Alt匕變緩。這與 W指口 樹脂在此溫度區(qū)間發(fā)生劇烈反應而引起的物理、化學變化是相一致的。超過此 MT變后，各項性能都將趨于穩(wěn)定。他認為，浸漬能有效地改善木陶瓷的性能，
但彎曲強度、維氏硬度等性能有反?，F(xiàn)象，說明樹脂加入后有雙向影響，艮卩 柳旨對氣孔的填充與封閉并存、力膙固定與限制削弱并存。具體表現(xiàn)為因產(chǎn)
生、消除封閉氣孔，影響了密度，從而削弱了試樣強度，增加了缺陷的產(chǎn)生。 合肥工業(yè)大學的吳文濤等以甘蔗渣為原料，采用混合后熱壓再燒結的工藝制備 木陶瓷，并對其密度、氣孔率、強度、電阻率等性能進行了測試，對其性育辦 征、形成機理及規(guī)律進行了分析，初步展示了原料配比、酚醛樹臘濃度、MS 等參W"整個制備過禾扱木陶瓷性能的影B向，實驗結果證明了通過該工藝用甘 蔗渣制備木陶瓷的可行性?！?海交通大學的謝賢清等曾研究木陶瓷形態(tài)待征與 阻尼性質，以及兩者之間的關系，木陶瓷具有較大的阻尼值，在振幅和振動頻 率較高時更大。申請者曾針對木陶瓷的帝隨工藝、木陶瓷的耐磨性和力學強度、
以及木陶瓷的孔隙結構等進行了系列的研究。研究釆用酚醛樹臘浸漬木M^科， 經(jīng)過高溫燒結制得木陶瓷產(chǎn)品，產(chǎn)品得率、性能和炭材料組成等受樹Jf濃度和 燒結溫度影響較大。通過低溫氮吸附法分析木陶瓷的孔隙結構，發(fā)現(xiàn)普職化 物樣品吸附能力很差，酚醛樹脂處理為炭化物引入較多的微 L，吸附能力得到
改善。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，酚醛樹脂對7l^才細胞壁有潤脹、填 充作用，從而增強細胞壁，很多樹脂填充于交錯纖維間的空隙中，增強了纖維
與纖維間的結合。
日本學者在證明了木陶瓷有優(yōu)異的耐磨、電磁屏蔽等特性后，研究開始轉 向木陶瓷在應用過程的一些相關性質，如Takahiro Fujino等研究了在100 800°C 及壓力高達100MPa的條件下熱水處理時炭化木質材料的行為和穩(wěn)定性，研究 表明，由于高溫和熱水的侵蝕，木質材料表現(xiàn)出了明顯的重量損失，在5(XTC以 .匕樣品侵蝕更嚴重。Yasuko Oishi等還研究了木陶瓷在不同氧濃度下的熱性質。 另外，為了得到更加環(huán)境友好的木陶瓷，Takashi Hirose等用液^7fc材代替酚醛 樹脂浸漬廢棄木質材料，^ff究了炭化溫度和炭化速率對該木陶瓷化學結構的 影響。
工業(yè)木質素是制^t紙的畐ij產(chǎn)品，目前回收利用率不高，大部分隨廢水排 放，既污染環(huán)境，又浪費資源。工業(yè)木質素的資源化利用具有重大的經(jīng)濟、社 會與環(huán)境效益。實現(xiàn)工業(yè)木質素的資源生態(tài)化利用，技術創(chuàng)新是最重要的^#。 雖然工業(yè)木質素通過改性后作為混凝土減水劑、水處理劑、水煤漿分散劑等方 面的研究與應用己取得一定進展，但，據(jù)估計，每生產(chǎn)1噸紙就有約0.5噸木 質素排出。我國造紙廢水中的主要污染物是木質素，廢7jC污染占全國工皿7K
量的30%。所以工業(yè)木質素的開發(fā)利用迫在眉睫。如何充分合理地利用木質廢 料，創(chuàng)生高性能、高附加值的材料和產(chǎn)品，是擺在我國*#科學工作者面前一 個亟待解決的問題。木質素陶瓷的研制和幵發(fā)為工業(yè)木質素廢料的高效利用開 辟了新途徑，對促進復合材料科學的進一步發(fā)展，促進^^"的高效利用和實現(xiàn) 環(huán)境保護，都將具有積極的意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種以工業(yè)木質素為原料，方法簡單而產(chǎn)品纟賊較高 的木陶瓷制造方法。
本發(fā)明的木質素陶瓷的制造方法為 C )樹脂浸漬木質素經(jīng)質量分數(shù)為5% 50%酚醛樹月^浸漬處理至完全
浸透，并干燥至含水率為15%以下；
(二) 模壓成型將酚醛樹脂浸漬并千燥后的木質素粉末鋪裝于模具中，
在120°C 200°C ， lMPa 20Mpa的條件下壓制成型；
(三) 燒結
a、 真空燒結將成型的樣品放入真空燒結爐中，抽真空至絕壓在104Pa以 下，以不超過10。C/min的平均升溫速度加熱至60(TC以上，保持0h 3h，然后 降溫，即得到強度較高的木質素陶瓷。
b、 氮氣保護燒結將成型的半成品放入燒結爐中，充入氮氣、壓力為常壓; 然后以1 °C/min 10°C/min的f均升溫速度加熱至600。C 2500°C ，保持0h 3h， 然后降溫，即得到強度較高的木質素陶瓷。
本發(fā)明的木質素陶瓷的制造方法與普通木陶瓷的制造方法有所不同。普通 木陶瓷是將木質材料經(jīng)酚醛樹脂浸漬處理、干燥固化后在真空(或氮氣保護) 下高溫燒結而成的新型多孑L炭材料。本發(fā)明的木質素陶瓷以工業(yè)木質素粉末為 基本原料，經(jīng)酚醛樹脂浸漬處理，然后用*莫具熱壓成型，再經(jīng)過高i^燒結而成。 本發(fā)明原料成本低，產(chǎn)品具有優(yōu)良的力學強度，并且生產(chǎn)工藝簡單。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式按照如下步驟制造木質素陶瓷-第一步樹脂浸漬。木質素經(jīng)質量分數(shù)為5% 50%酚醛樹)^浸漬處理至完 全浸透，并干燥至含水率為15%以下，從而保證了均勻浸漬。
第二步:模壓成型。將酚醛樹脂浸漬并千燥后粉末鋪裝于模具中，在120°C
200°C， lMPa 20Mpa的割牛下壓制成型。
第三步調質^B喿。板坯經(jīng)過熱壓后，板子內部依然存在含水率梯度，板
子與外界的溫差較大，因此板的熱應力分布不均，放置一段時間后，非常容易 翹曲，因此熱壓后需要放在恒溫橫濕環(huán)境下進行調質處理，并用一定的重物壓
住，以保證制件的平整。經(jīng)過調質處理后，需要放置在12(TC的恒溫鼓風干燥箱
中進行干燥。
第四步真空燒結。先將成型的樣品放入真空燒結爐中，抽真空至絕壓在
104Pa以下，以不超過1(TC/min的平均升溫速度加熱至60CTC以上，保持Oh
3h，然后降溫。在燒結過程中有大量氣體放出，真空度下降，需要真空泵工作 來維持真空。
本實施方式中所用木質素可以為各種工業(yè)木質素，如硫酸鹽木質素、堿木 質素(燒堿法木質素、其他堿木質素)或木質素磺酸鹽。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，第四步為氮氣 保護燒結將成型的半成品放入燒結爐中，充入氮氣、壓力為常壓；再都以 rC/min l(rC/min的平均升溫速度加熱至600。C 250(rC，保持0h 3h，然后 降溫，即得到強化木質素陶瓷。
具體實施方式
三以硫酸鹽木質素為原料，當按照木質素酚醛樹脂為4: 1配比時，對木質素進行樹脂浸漬處理至完全浸透，干燥至含水率為12%，鋪
裝，在18(TC、 15.0Mpa下熱壓20min。調質、烘干，將成型的樣品放入真空燒 結爐中，抽真空至絕壓在104Pa以下，起始溫度為24。C，以10°C/min的速度上 升到12(TC，保持10min以后，以2°C/min的速度上升到600°C ，保持3h，然后 自然降溫，得成品。產(chǎn)品的壓縮剪切強度達到22Mpa，而以3: 7的木批粉和酚 醛樹脂為原料，在80(TC下燒結所得木陶瓷的壓縮剪切強度僅為llMPa。
具體實施方式
四以燒堿法木質素為原料，當按照木質素酚醛樹脂為3: 1配比時，對木質素進行樹脂浸漬處理至完全浸透，干燥至含水率為5%，鋪裝，
在15(TC、 10.0Mpa下熱壓30min。調質、烘干，將成型的樣品放入真空燒結爐 中，抽真空至絕壓在104Pa以下，起始溫度為24'C，以15"C/min的速度上升到 120°C，保持20min以后，以rC/min的速度上升到800°C ，保持lh，然后自然
降溫，得成品。產(chǎn)品的壓縮剪切強度達到36Mpa。
具體實施方式
五以硫酸鹽木質素為原料，當按照木質素酚醛樹脂為2:
1配比時，對木質素進行樹脂浸漬處理至完全浸透，^P燥至含水率為2%，鋪裝， 在12(TC、 10.0Mpa下熱壓50min。調質、烘干，將成型的樣品方認真空燒結爐 中，抽真空至絕壓在104Pa以下，起始溫度為室溫。C，以12°C/min的速度上升 到120。C，保持10min以后，以1.5°C/min的速度上升到700°C，保持2h，然后 自然降溫，得成品。產(chǎn)品的壓縮剪切強度達到36Mpa。
具體實施方式
六以工業(yè)堿木質素為原料，當按照木質素:酚醛樹脂為1.33: 1配比時，對木質素進行樹脂浸漬處理至完全浸透，干燥至含水率為10%，鋪 裝，在15(TC、 10.0Mpa下熱壓30min。調質、烘干，將成型的樣品放入真空燒 結爐中，抽真空至絕壓在104Pa以下，起始纟鵬為24r，以5!Vmin的速度上 升到120。C，保持30min以后，以0.5°C/min的速度上升到800°C，保持lh，然 后自然降溫，得成品。產(chǎn)品的壓縮剪切強度達到38Mpa。
權利要求
1、一種木質素陶瓷的制造方法，其特征在于所述方法為(一)樹脂浸漬木質素經(jīng)質量分數(shù)為5％～50％酚醛樹脂浸漬處理至完全浸透，并干燥至含水率為15％以下；(二)模壓成型將酚醛樹脂浸漬并干燥后的木質素粉末鋪裝于模具中，在120℃～200℃，1MPa～20Mpa的條件下壓制成型；(三)真空燒結將成型的樣品放入真空燒結爐中，抽真空至絕壓在104Pa以下，以不超過10℃/min的平均升溫速度加熱至600℃以上，保持0h～3h，然后降溫，即得到強度較高的木質素陶瓷。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種木質素陶瓷的制造方法，其特征在于所述木 質素為硫酸鹽木質素、堿木質素或木質素磺酸鹽。
3、 -種木質素陶瓷的帝隨方法，其特征在于所述方法為(一) 樹脂浸漬木質素經(jīng)質量分數(shù)為5% 50%酚醛樹脂浸漬處理至完全浸透，并^B喿至含水率為15X以下；(二) 模壓成型將酚醛樹脂浸漬并干燥后的木質素粉末鋪裝于模具中， 在120°C 200°C， lMPa 2()Mpa的條件下壓制成型；(三) 氮氣保護燒結將成型的半成品放入燒結爐中，充入氮氣、壓力為 常壓；然后以rC/min 10。C/min的平均升溫速度加熱至60(rC 25(XrC，保持 Oh 3h，然后降溫，即得到強度較高的木質素陶瓷。
4、 根據(jù)權利要求3所述的一種木質素陶瓷的制造方法，其特征在于所述木 質素為硫酸鹽木質素、堿木質素或木質素磺酸鹽。
全文摘要
一種木質素陶瓷的制造方法，涉及一種木陶瓷的制造工藝。本發(fā)明的目的是提供一種以工業(yè)木質素為原料，方法簡單而產(chǎn)品強度較高的木陶瓷制造方法，其具體工藝為(一)樹脂浸漬木質素經(jīng)酚醛樹脂浸漬處理至完全浸透，并干燥至含水率為15％以下；(二)模壓成型將酚醛樹脂浸漬并干燥后的木質素粉末鋪裝于模具中壓制成型；(三)真空或氮氣保護燒結，得到強度較高的木質素陶瓷。本發(fā)明原料成本低，產(chǎn)品具有優(yōu)良的力學強度，并且生產(chǎn)工藝簡單。
文檔編號C04B35/622GK101108772SQ20061001030
公開日2008年1月23日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權日2006年7月20日
發(fā)明者芳 劉, 劉一星, 堅 李, 李淑君, 陶毓博 申請人:東北林業(yè)大學