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木基金属功能复合材料研究进展

柴媛 傅峰 梁善庆

柴媛, 傅峰, 梁善庆. 木基金属功能复合材料研究进展[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
引用本文: 柴媛, 傅峰, 梁善庆. 木基金属功能复合材料研究进展[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
Chai Yuan, Fu Feng, Liang Shanqing. Progress of wood based metal functional composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
Citation: Chai Yuan, Fu Feng, Liang Shanqing. Progress of wood based metal functional composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382

木基金属功能复合材料研究进展

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CAFYBB2016MB001)
详细信息
    作者简介:

    柴媛,博士生。主要研究方向:木质功能材料。Email:cybei123@163.com 地址:100091 北京海淀区香山路中国林业科学研究院木材工业研究所

    通讯作者:

    梁善庆,博士,副研究员。主要研究方向:木质功能材料。Email:liangsq@caf.ac.cn 地址:同上

  • 中图分类号: TB33

Progress of wood based metal functional composites

  • 摘要: 为弥补木材固有的缺陷,改变木材物理、力学、化学性质和构造特征,对木材功能改性的研究从未间断过,从最初的木材塑合技术、浸渍技术、乙酰化技术、热处理技术、压缩和弯曲技术、漂白和染色技术等,到现在较为先进的微波处理技术,均极大地推动了木材科学的发展。随着对木材基本物化性能研究的逐步深入,新型木基复合材料也应运而生,如木基金属功能复合材料,其赋予木材新的电磁屏蔽、导热和导电等功能。根据木基金属复合材料的功能特性,可将其分为3类:电磁屏蔽木材、金属化木材和浸透型磁性木材。电磁屏蔽木材主要用于有射线辐射空间的地板、棚板、壁板等,其制备方法主要有化学镀金属和胶合金属两种,化学镀金属是通过化学的方法使木材表面金属化,胶合金属是通过胶黏剂将金属材料与木材相结合,这两种方法均能提高木材的电磁屏蔽效能,可以减少电磁辐射对人体的伤害。金属化木材是将低熔点合金以熔融状态浸透到木材细胞中并冷却固化后形成的复合材料,熔融状态的金属以木材导管为载体,使复合材料的压缩强度、硬度、导热性、导电性、耐磨性、冲击韧性等大幅度提高,可作导热木材用于地热采暖领域。浸透型磁性木材是在一定的压力下使磁流体浸透到木材内,从而制得带有磁性的木材,可用在磁记录、记忆、电磁转换、屏蔽、防护、医疗和生物技术、分离纯化等诸多领域。目前,木基金属功能复合材料的研究主要集中在木材表面化学镀上,此种制备方法金属只能覆盖在木材表面,而不能浸透到木材内部。金属化木材可以使金属浸透到木材中,但现有研究所用的基材没有经过处理,金属的渗透性不高,如何改善基材,最大限度发挥金属化木材的优异性能,进一步推动木基金属功能复合材料的应用范围,将是下一步研究的重点。本文对3种不同功能复合材料(电磁屏蔽木材、金属化木材和浸透型磁性木材)的研究现状进行概述,同时提出木基金属功能复合材料现有研究中的不足,并展望金属化木材在更多领域的应用和发展前景。
  • 图  1  木基金属镍复合材料横切面扫描电镜图

          图引自文献[13]。 Pictures are cited from reference [13].

    Figure  1.  SEM of transverse section of wood based nickel-metal functional composites

    图  2  木材化学镀

         图引自文献[15]。 Pictures are cited from reference [15].

    Figure  2.  Electroless plating on wood

    图  3  各向异性的金属化木材

       图引自文献[38]。 Pictures are cited from reference [38].

    Figure  3.  Anisotropic metallic wood

    图  4  木基金属功能复合材料的应用

            图引自文献[36]。 Pictures are cited from reference [36].

    Figure  4.  Application of wood based metal functional composites

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-26
  • 修回日期:  2018-12-18
  • 刊出日期:  2019-03-01

木基金属功能复合材料研究进展

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
    基金项目:  中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CAFYBB2016MB001)
    作者简介:

    柴媛,博士生。主要研究方向:木质功能材料。Email:cybei123@163.com 地址:100091 北京海淀区香山路中国林业科学研究院木材工业研究所

    通讯作者: 梁善庆,博士,副研究员。主要研究方向:木质功能材料。Email:liangsq@caf.ac.cn 地址:同上
  • 中图分类号: TB33

摘要: 为弥补木材固有的缺陷,改变木材物理、力学、化学性质和构造特征,对木材功能改性的研究从未间断过,从最初的木材塑合技术、浸渍技术、乙酰化技术、热处理技术、压缩和弯曲技术、漂白和染色技术等,到现在较为先进的微波处理技术,均极大地推动了木材科学的发展。随着对木材基本物化性能研究的逐步深入,新型木基复合材料也应运而生,如木基金属功能复合材料,其赋予木材新的电磁屏蔽、导热和导电等功能。根据木基金属复合材料的功能特性,可将其分为3类:电磁屏蔽木材、金属化木材和浸透型磁性木材。电磁屏蔽木材主要用于有射线辐射空间的地板、棚板、壁板等,其制备方法主要有化学镀金属和胶合金属两种,化学镀金属是通过化学的方法使木材表面金属化,胶合金属是通过胶黏剂将金属材料与木材相结合,这两种方法均能提高木材的电磁屏蔽效能,可以减少电磁辐射对人体的伤害。金属化木材是将低熔点合金以熔融状态浸透到木材细胞中并冷却固化后形成的复合材料,熔融状态的金属以木材导管为载体,使复合材料的压缩强度、硬度、导热性、导电性、耐磨性、冲击韧性等大幅度提高,可作导热木材用于地热采暖领域。浸透型磁性木材是在一定的压力下使磁流体浸透到木材内,从而制得带有磁性的木材,可用在磁记录、记忆、电磁转换、屏蔽、防护、医疗和生物技术、分离纯化等诸多领域。目前,木基金属功能复合材料的研究主要集中在木材表面化学镀上,此种制备方法金属只能覆盖在木材表面,而不能浸透到木材内部。金属化木材可以使金属浸透到木材中,但现有研究所用的基材没有经过处理,金属的渗透性不高,如何改善基材,最大限度发挥金属化木材的优异性能,进一步推动木基金属功能复合材料的应用范围,将是下一步研究的重点。本文对3种不同功能复合材料(电磁屏蔽木材、金属化木材和浸透型磁性木材)的研究现状进行概述,同时提出木基金属功能复合材料现有研究中的不足,并展望金属化木材在更多领域的应用和发展前景。

English Abstract

柴媛, 傅峰, 梁善庆. 木基金属功能复合材料研究进展[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
引用本文: 柴媛, 傅峰, 梁善庆. 木基金属功能复合材料研究进展[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
Chai Yuan, Fu Feng, Liang Shanqing. Progress of wood based metal functional composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
Citation: Chai Yuan, Fu Feng, Liang Shanqing. Progress of wood based metal functional composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(3): 151-160. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180382
  • 木基金属功能复合材料是以木材为基体,以一种或几种金属及其合金作为增强体人工结合成的复合材料。这种新型的复合材料不但克服了木材变异性大、尺寸稳定性差、易生物败坏、易燃烧、易变色等天然缺陷[1-3],而且具备金属比强度高、比模量高、尺寸稳定性好、耐磨、耐疲劳、耐老化以及易导热导电等优异性能[4-6]。木材中天然形成的导管,不仅可以作为功能材料的载体,而且还可以为金属离子的传输提供路径,这将直接增强木材各方面的性能,因此,金属和木材的复合能够充分利用各材料的优异性能,消除自身的固有缺陷,并赋予复合材料新的性能。

    木基金属功能复合材料最早出现在20世纪20年代的专利中。早期木基金属功能复合材料的使用主要是利用其较优的力学性能,如在第二次世界大战期间被德国用在船舶和直升机螺旋的轴承中。到20世纪60年代很多住宅也使用了此种复合材料[7]。随着电子技术的发展,电磁辐射已成为人们关注的焦点,因此木基金属功能复合材料作为较优的电磁屏蔽材料被广泛研究。近几年,木基金属功能复合材料的研究主要集中在导热和导电方面,其可作为木地板被用于地热采暖领域。

    基于木材与金属各自的特性及其复合材料的应用,本文主要概述电磁屏蔽木材、金属化木材和浸透型磁性木材3种不同功能复合材料的研究现状,同时对木基金属功能复合材料存在的不足进行探讨,并展望金属化木材在地热采暖领域的应用和发展前景。

    • 电磁屏蔽是通过屏蔽体的反射、吸收和衰减来削弱辐射源的电磁场效应。通常用电磁屏蔽效能(Shielding effectiveness,SE)来评估材料的屏蔽性能,具有优异电磁屏蔽效能的金属材料及其混合物,已被广泛用于各种电磁屏蔽材料,其中木材与金属材料复合制备电磁屏蔽木材是现在研究的热点。

    • 木材是电的不良导体,制备电磁屏蔽木基复合材料的方法之一就是非金属材料表面金属化,其制备的复合材料既具有非金属材料的固有性质,又具有金属材料的导电、导磁特性[8]。对于木材来说,化学镀是一种非常有效的能够使木材表面金属化的方法,可镀镍、铜、钴、金、银等金属。在不通电的情况下,根据氧化还原反应原理,利用强还原剂将金属离子溶液中的金属还原,最终在材料表面上沉积形成致密的涂层[9]。该技术因工艺简便、节能、环保而日益受到人们的关注[10],并在工业部门得到了广泛的应用。

      目前,木材化学镀的金属填料主要分为镍系、铜系和复合系。其中木材化学镀镍的研究较多,其主要工艺流程为:首先通过表面处理使木片形成有机膜,然后用氯化钯盐酸溶液进行化学镀镍,使金属镍层沉积在木片表面,最后施胶成型,制备具有电磁屏蔽功能的复合材,其屏蔽效果与表面沉积的金属镍量有关[11]。同样木屑也可以镀镍,镀镍的木屑可通过胶合制成刨花板,最终得到的刨花板密度(0.7 ~1.0 g/cm3)约为塑料复合材料(1.8 ~ 2.3 g/cm3)的一半,体积电阻率和表面电阻率都较小,在30 ~ 300 MHz范围内的SE能达到30 dB以上[12]。徐高祥[13]利用水热法在泡桐(Paulownia fortunei)内部还原金属镍制备木材−镍复合材料,通过扫描电镜(图1)可知:金属镍以片状结构分布在木材细胞内壁并与其紧密结合,复合材料的导电率显著增加,最大为1.25 × 10− 2 S/m。用化学镀镍的方法还可以在落叶松(Larix gmelinii )单板表面沉积镍–磷(Ni-P)复合层,制得的复合材料镀层为晶态结构的Ni-P合金且与木材表面结合牢固,其中镀层中P的质量分数为1.53%,SE在0.009 ~ 1 500 MHz可达60 dB[14]。也有学者在水曲柳(Fraxinus mandshurica)表面镀Ni-P合金,首先将NaBH4溶解于NaOH溶液中制备预处理液,再将经过预处理液处理后的水曲柳放置在镀液中,最终得到表面镀有Ni-P的水曲柳,其制备流程见图2a图2b为Ni-P镀层的扫描电镜图,镀层与水曲柳牢固黏结,测试表明镀层具有良好的导电性且表面电阻率小于200 Ω/cm2[15]

      图  1  木基金属镍复合材料横切面扫描电镜图

      Figure 1.  SEM of transverse section of wood based nickel-metal functional composites

      图  2  木材化学镀

      Figure 2.  Electroless plating on wood

      木材化学镀铜(Cu)的方法有很多,最常见的有以下两种:1)以次亚磷酸钠为还原剂,乙二酸四乙酸二钠(EDTA)为络合剂,利用水热法将醋酸铜还原得到铜,姚晓林等[16]以速生林泡桐(Paulownia fortunei)为基体制得木材−铜复合材料,通过扫描电镜观察发现铜均匀分布在木材细胞壁上,制备的复合材料弹性模量、抗压强度和比例极限较素材均有明显增强;2)将钯镀在水曲柳表面,然后将试材放入含有CuSO4·5H2O、C10H16N2O8等化学物质的溶液中进行镀铜,Wang等[17]用此方法得到木材−铜电磁屏蔽材料,其表面的电阻率和镀铜率分别达到了175.14 Ω/cm2和21.66 g/m2,SE达到60 dB以上。化学镀不仅可以用在宏观木材试件上,也可以用于木质纤维素上。

      木质纤维素作为木材单元的一部分,是近年来的研究热点。木质纤维素也可以化学镀,其中化学镀镍是用还原剂将镀液中的Ni2+还原于呈催化活性的基材表面上,其表面可以形成连续金属镍层,Ni粒子可以使镀层与基体紧密结合,当受外力拉伸时,能够缓解因应力集中而造成断裂的机率,使纤维断裂强度得到提高[18]。同样,木质纤维素也可以化学镀Ni-P,此复合镀层具有孔隙少、表面光洁、致密等特性[19]。潘艳飞[20]以木质纤维素为基材,通过超声波处理纤维素制备微/纳米纤维素,进而对其表面进行化学镀Ni-P,通过优化工艺在微/纳米纤维素表面制备出均匀的金属镀层。Li等[21]将纤维素浸泡在AgNO3水溶液中,利用化学镀的方法使其原位合成Ag纳米粒子,制备了纤维素/银纳米复合纤维,然后对其结构和性能进行了表征,结果表明纤维素/银纳米复合纤维具有良好的力学性能和热稳定性。Cai等[22]以纳米多孔纤维素为金属粒子的载体,通过还原剂水热还原金属银、金和铂颗粒,采用紫外可见吸收光谱仪、透射电镜、X射线衍射仪、热重分析仪、拉伸测试仪等对金属复合纤维进行了系统的表征,所得纳米结构材料具有抗菌、光电和催化等多种功能。化学镀木材和木质纤维素的镀层分布均匀且易于控制,不受零件尺寸和形状的限制,同时镀层具有一定的电磁屏蔽效能和环境可靠性,但化学镀也有一些缺点,如在实际应用中镀层容易剥离,因此一些学者用金属类材料胶黏在木材中,避免了金属层容易脱落的缺陷,同时还能达到较好的电磁屏蔽效能。

    • 金属类材料与胶合板、纤维板、刨花板黏接加压复合也可以制备电磁屏蔽木基复合材料,金属类材料可以为金属板材、金属箔、金属网、金属粉[23]或金属纤维等,它们具有良好的导电、电磁屏蔽和力学性能[24]。例如,将板材与金属箔复合制得的复合材料在30 ~ 500 MHz频率范围内SE能达到30 dB以上,铜箔和铝箔的电磁屏蔽效能(50 ~ 80 dB)优于铁箔(30 ~ 60 dB)[25],铝板的位置对复合材料的弹性模量和电磁屏蔽效能均有影响,铝板在夹层上的SE为60 ~ 92 dB,在表层上的为60 ~ 106 dB,以上两种方法均能提高复合材料的强度和电磁屏蔽性能,并能满足商用电磁屏蔽建筑物的要求[26]。板材除了可以与金属箔复合,还可以与不锈钢网复合制备电磁屏蔽纤维板,不同网层对复合板电磁屏蔽效能和抗弯强度均有影响。当叠加3层不锈钢网时,板材的SE最低也能达到50.77 dB[27]。钢纤维垫也可以加入中密度纤维板的芯层中,制得具有良好电磁屏蔽功能的木−钢纤维MDF,复合材料在0 ~ 1 000 MHz范围内具有优良的电磁屏蔽功能,尤其在0 ~ 500 MHz范围内的SE能达到60 ~ 75 dB[28]

    • 金属化木材是指低熔点合金以熔融状态浸透到木材细胞中并冷却固化后形成的复合材料,经过含有铋(Bi)、锡(Sn)合金处理的金属化木材,硬度和耐磨性都有大幅度的提高,并且在火中只会炭化,不会燃烧[29]。金属化木材早在第二次世界大战期间就被德国使用,其代替了愈疮木用于船舶和直升机螺旋的轴承。在国内,李坚[30-31]最早提出了金属化木材,其制备方法是将密闭容器中抽真空并加热至130 ~ 150 ℃,使木材沉浸到合金液体中,然后解除真空并加压至4.14 ~ 17.24 MPa,处理20 ~ 60 min,在冷却固化前刮去试件表面合金,即可得到金属化木材,通过该方法制备的复合材料相对密度是原来木材的1.8 ~ 6.4倍,压缩强度、硬度、导热系数、耐磨性、冲击韧性均大幅度提高,耐久性和尺寸稳定性也明显改善。由于其独特的耐磨性,可作为轴承材料用于特殊场合。如果对金属浸渍后的木材进行压缩,则可得到金属化压缩木[32]。若选用不同种类的木材与金属复合,得到的复合材料性能也不相同,可以根据需要制备不同性质的金属化木材,例如,对速生杨木(Populus spp.)进行金属化处理,通过观察微观结构发现低熔点合金主要渗透到杨木的导管和细胞腔中,杨木经金属化处理后,尺寸稳定性得到改善,吸湿率降低,阻湿率随着初始质量的增加呈上升趋势,弦径向线性膨胀率之比由素材的2.37倍降低到1.93倍左右,蒸馏水接触角明显增大,并且处理材的漆膜附着力较素材提高了一个等级[33]。另有学者以多孔木质陶瓷(Wood ceramies,WcMs)为骨架,将塑性高的Al、Cu金属及其合金渗透在炭化纤维素形成的三维互通孔隙中,制备出WcMs/金属网络互穿结构复合材料,其组织相均匀且网络互穿结构明显,因组成相的互锁和韧性相的桥接作用,复合材料的力学性能较木质陶瓷基体有明显提高[34]

      在国外,研究者利用低熔点,导热系数高的锡、铋、镉、铟、镓、锑等组成的合金,制备了具有高导热率的功能型复合材料。例如,韩国科研团队制备出金属化木地板,由于其高导热的性质,有望被用于地热地板领域。Kang等[35]采用合适的浸渍条件(预真空处理10 min后在温度186 ℃、压力3 MPa下浸渍10 min),将环保低熔点合金(Sn、Bi)浸渍到胡桃木(Juglans mandshurica)中,制得的复合材料不仅具有高的尺寸稳定性、抗弯强度和导热率,而且还具有不易磨损、变色、脱层、膨胀和开裂的优点,其抗弯强度从131.8 N/mm2增加到192.3 N/mm2,硬度从18.2 N/mm2提高到94 N/mm2。其团队不仅研究了胡桃木,还研究了辐射松(Pinus radiata)、红橡(Quercus spp.)和白橡(Quercus spp.)3种地板材的最佳浸渍工艺条件[36],所有样品真空预处理10 min之后加热到185 ℃,辐射松在压力1 MPa下处理2.5 min,红橡在3 MPa下处理10 min,白橡在5 MPa下处理10 min,制得的复合材料因其导热性高可作为地采暖地板使用。同时,他们对低熔点合金浸渍胡桃木制备的地板复合材料性能进行了研究,处理材较未处理材密度提高了6.6倍,弯曲强度从102.05 N/mm2增加到205.4 N/mm2,硬度从15.1 N/mm2增加到64.87 N/mm2,制得的地板材料具有较高的抗弯强度、硬度、耐磨性和导热系数[37]

      马里兰大学胡良兵团队系统地研究了金属化木材的导热和导电特性[38]。导热填料在横截面上被木质基体隔开,形成一个个独立的“孤岛”结构,导致热量在传递过程中产生较大的热阻,此时填料对基体导热性能提高的贡献不大;而在纵向上填料间能够互相搭桥接触,在基材内就形成长链状的结构形态,称为导热网络[39-40],导热网络的形成对复合材料导热率的提高有明显作用。金属化木材兼具这两项特征,其金属序列被固定在木材管胞中并且被分隔开,电子的输送方向被固定(图3),因此在热、电和机械性能方面均表现出良好的各向异性特征,导热各向异性比(κ||)达到18,导电各向异性比(σ||)达到1011,此值超过现有报告中各向异性复合材料的最高值。金属化木材的各向异性功能可以应用在热管理系统中,例如热绝缘和热扩散。金属化木材为其他各向异性复合材料的设计提供了一个思路,以其他生物材料为基体制得的复合材料,具有更高的各向异性,能在更多领域得到应用[38]

      图  3  各向异性的金属化木材

      Figure 3.  Anisotropic metallic wood

    • 浸透型磁性木材是将木材浸渍于磁流体(如Fe等具有铁磁性的物质)中,在一定的压力下使磁流体浸透到木材内,从而制得带有磁性的木材[41]。Oka等[42]研究发现:以西洋杉(Cunninghamia lanceolata)为边材制得的复合材料中,磁性颗粒沿木纤维方向聚集,复合材料的磁特性取决于木材的构造和磁性材料的密度。除上述加压方法制备浸透型磁性木材之外,还有一种直接在木材内部渗透磁流体制备磁性木材的方法[43],此方法制得的磁性木材保持了木材本身的纹理结构,制备工艺简单,并且木材任意面均具有磁性。利用木材各向异性的特点,通过浸渍法可以制备一种具有优异各向异性的磁性木材,其可以在外界磁场作用下进行不同程度的重新排列和组合,为各向异性磁功能材料的制备提供了新思路[44]。Mancosky等[45]研究了磁性木质纤维的制备方法,在过氧化氢漂白纤维的过程中加入铁粉,漂白产生的羧基与铁粉发生定位螯合,从而使木质纤维素具备磁特性,制得的磁性纤维可用在磁记录、记忆、电磁转换、屏蔽、防护、医疗、生物技术和分离纯化等诸多领域。

      目前,金属化木材和浸透型磁性木材的功能化处理主要是通过(真空)加压将金属浸注到木材内部,但对于难浸注的木材,常规的加压浸渍处理方法达不到理想的浸渍量和浸渍深度,使木材的功能化处理产生了一定的难度,因此研究功能剂在木材内部的浸注量、浸注深度和均匀性成为木材功能化改性的重点[46]。木材渗透性的提高对于功能剂的浸注有明显的效果,提高木材流体渗透性的方法大致可分为3类:化学法、生物法和物理法,近年来,物理法中的微波处理技术是国内外研究的热点之一[47-49]。木材经微波处理之后渗透性得到不同程度的提高,主要是因为微波具有良好的加热特性,其在处理木材时,被处理部位因吸收微波而转化成自身的热能,使木材温度迅速升高,内部水分迅速汽化从而冲破部分薄弱细胞,如射线薄壁细胞和部分厚壁细胞纹孔膜,同时,强穿透力的微波能穿透到木材内部,使处理材受热均匀[50]。如果用更高强度的微波处理木材,微观裂纹可发展成宏观裂纹,形成新的流体通道,为功能材料的浸注起到增强作用。为了评价高强微波处理后木材表面的宏观裂纹特征,林兰英等[51]利用了Matlab软件,为微波处理后木材表面裂纹状态的评定提供了依据,李贤军等[52]采用木材微波预处理专用设备,较系统地研究了高强度微波预处理对桉木(Eucalyptus spp.)渗透性的影响规律。微波处理技术也被应用于木材功能化改性的研究中,何盛等[53-54]概述了微波处理技术在木材功能化改性研究中的应用,并探讨了微波处理对樟子松(Pinus sylvestli)木材液体浸注性能的影响,Vinden等[55]用渗透性提高的微波改性材进行防腐处理,使木材具有特殊的防腐功能。在目前的研究中,很少有人用高强微波处理之后的膨化木材作为基体进行功能体的注入,经高强微波处理后的膨化木材不但渗透性得到了提高,而且其产生的宏观裂缝也有利于增加功能体的浸注量和浸注深度。因此,以微波处理之后的膨化木材作为基材,制备浸透型磁性木材和金属化木材将是一个新的发展趋势。

    • 电磁波会给笔记本电脑、GPS、ADSL和移动电话等3C产品带来杂讯,从而影响通讯品质。如果人体长期暴露于强力电磁场下,则可能引起癌症病变,因此电磁屏蔽材料的开发和应用势在必行。电磁屏蔽材料的种类不是单一的,如电磁屏蔽多功能混凝土,可用于军事上的防护工事,也可用于电台、基站、微波站、EMC实验室、高压线下的建筑物等[56],但其不具有可再生性,而电磁屏蔽木基复合材料具有可回收再生利用,不会产生二次污染的优点,是一种环保且应用前景良好的新型电磁屏蔽材料。将木质单元与金属类材料以某种方式复合,制得的电磁屏蔽木基复合材料除具有吸收电磁波特性外,还显示出优异的装饰性能和强大的抗老化能力[57]。电磁屏蔽木材主要应用于有射线辐射空间的地板、棚板、壁板等。例如,在现代城市中高层建筑之间很容易造成电磁波的多次反射和干扰,将电磁屏蔽木材开发成具有装饰、电磁污染防护、室内电磁信号泄密/失密防护功能的商品,具有较好的发展前景。

    • 地热采暖作为一种建筑节能技术[58],已经成为我国重点推广的应用之一。与其他采暖方式相比,地暖能够较好地解决“寒从脚下起”的难题,是与人体取暖生理需求特性最为吻合的供暖方式,其深受广大居民的喜爱。但是木材的导热系数较低,为0.15 W/(m·K)左右[59],使木地板在地热采暖领域的使用受到了限制,用木材与其他材料复合制备具有高导热性和电磁屏蔽性的多功能导热地板,是近年来地热地板的研究方向之一。现有地热地板的研究存在制备成本高,发热不均匀等问题,而金属的导热率较高,可以借助木材与金属材料复合制备导热木基复合材料,从而提高木材的导热性。在韩国,一些学者已经开始金属化木地板(图4a)的研究[36],经过砂光之后的复合材料不仅具有高导热率,而且地板的抗弯强度、硬度和耐磨性均有所提高。

      图  4  木基金属功能复合材料的应用

      Figure 4.  Application of wood based metal functional composites

    • 磁性木基复合材料不仅具有易加工、比重低的特点,而且还具有吸收磁、波的特性,其可用做加热板和吸波板等。例如,日本新开发出可吸收手机电波的磁性木材,可用于音乐厅、电影院、医院等公共场以屏蔽手机的电波,从而减少不必要的干扰,此材料还可根据用户不同的审美需求随意改变产品的外观,从而使产品更加人性化。磁性木材自问世以来,受到许多国家的广泛关注,今后这种磁性木材不仅在反电波窃听等安全保护方面发挥其作用,而且在磁记录、屏蔽防护、电磁转换等领域也将发挥作用。

    • 木材存在表面缺乏光泽、不耐磨等缺点,木制品在实际使用过程中,耐压耐拉的能力远远没有金属的效果好,因此,金属和木材在家具中的组合(图4b)可以使得家具结构更加结实、稳定、耐磨,从而提高木制家具的使用寿命[60]。金属和木材的组合还可应用在高尔夫球杆的头部[61],因为球杆头部要求质量较轻,所以扩大头部就要利用较轻的材料,例如用乌木和金属的复合材料[62]。同样金属和木材的组合也可用在飞机分离器中,从而降低成本和重量[63],还可以做金木复合管,用于游乐机具、福利器具、装饰材料等,使出材率低的材段在复合管的开发中得到充分利用,提升木材的价值[64]

    • 综上所述,国内外很多学者开展了木基金属功能复合材料制备及其应用的研究,对电磁屏蔽木材、金属化木材、浸透型磁性木材3种不同功能的复合材料进行了相关探讨,但是大部分研究集中在木材表面化学镀金属上,其在使用过程中,镀层容易产生剥离,并且二次加工性能较差[65]。在应用方面,目前制备的复合材料主要用于电磁屏蔽,如何最大限度发挥木基金属功能复合材料的性能优势,进一步推动木基金属功能复合材料的研究和应用,仍需加强以下工作:

      (1) 扩大其应用领域。金属的导热率较高,可以借助木材与金属复合制备导热木材,从而提高复合材料的导热性,使其在地热地板领域得到充分利用。

      (2) 金属化木材基材的选择。金属化木材性能提高的主要原因是金属可以填充在木材内部,高强微波处理技术不但可以提高木材的渗透性,而且其产生的宏观裂纹还可以为功能体的浸注提供有利条件,因此,以高强微波处理之后的膨化木材作为基材制备金属化木材具有一定的价值。

      (3) 各向异性材料的应用。木材自身具有的导管和管胞,使得功能材料的填充具有方向性,因此,金属化木材具有高度各向异性的特征,能够作为热绝缘/热扩散、导体/绝缘体等各向异性材料应用。

      (4) 电磁屏蔽材料的应用。金属化木材具有电磁屏蔽的作用,与表面镀金属的化学镀相比,金属化木材具有更好的电磁屏蔽效能。

      综上所述,研究金属化木材具有一定的发展应用前景。

参考文献 (65)

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