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纳米技术在木材中的应用与发展

浏览数:615   发布时间:2016-02-26
 

摘要:纳米技术在木材工业中发展中占着很重要的地位,是木材科学界所关注的高新技术之一。将纳米技术应用在木材上,对木材改性,保护等十分有效。纳米技术作为一种发展速度较快的新兴产业,有非常光明的前景。

1纳米材料与技术概要

(1)纳米材料

纳米(nm)是长度单位,1纳米是10 -9 米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,人的头发丝的直径一般为7000—8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。

一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:

(1)材料的特征尺寸在1-100nm之间;(2)材料具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

纳米材料的主要特性有:

(1)量子尺寸效应显著;(2)较强的光致发光效应;(3)表面效应;(4)设计合成新材料;(5)具有无可比拟的力学性能;(6)良好的微波吸收性。

(2)纳米技术

纳米技术一般是指在纳米尺度(0.1-100nm范围)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性开发新产品的一门科学和技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。

纳米科技是包含纳米材料、纳米器件和对它们的检测与表征等应用性很强的研究和技术领域。具体而言就是在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、磁、光、热、力学等特性;纳米空间的化学过程、物理运输过程以及原子、分子的排列、组装与奇异物性的关系[1-2]。 2 纳米技术的原理及特点

纳米技术是科技发展的一个新型领域,它不仅仅是将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题,而是人类对自然的认识和改造方面,从宏观领域到物理的微观领域,深入了一个新的层次,即从微米层深入到分子、原子级的纳米层次。

在深入到纳米层次时,所面临的决不是几何上的“相似缩小”的问题,而是一系列新的现象和新的规律。在这纳米层次上,也就是原子尺寸级别的层次上,一些宏观的物理量,如弹性模量、密度、温度等已要求重新定义,在工程科学中习以为常的欧几里得几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学都已不都正常描述纳米级的工程现象和规律,而量子效应,物质的波动特性和微观涨落等已不是不可忽略的,甚至成为主导的因素。

纳米技术及其在木材科学中的应用是木材科学界所关注的高新技术之一,将纳米粒子作为填料改性聚合物,使之体现纳米材料和高聚物的双重优点,从而达到制备高性能材料的目的

[3]。

3.木材科学中的纳米材料

应用在木材中的纳米材料主要有纳米颗粒和纳米复合材料。

(1)纳米颗粒

纳米颗粒又称为超微粉或者纳米粉末。这类材料的尺寸一般为1到100nm之间,是一种介于原子,分子与宏观物质之间,处于中间状态的固体材料。纳米材料的物理化学性质既不同于微观的原子,分子,也不同于宏观物体,纳米介于宏观世界与宏观世界之间,又称为介观世界。它具有量子效应,小尺寸效应,表面效应和分形聚集特性等,从而表现出许多特有的

性质,可以用于光电磁敏感和催化等领域,或根据纳米颗粒的特性设计紫外反射涂层,红外吸收涂层,微波隐身涂层以及其他纳米功能涂层。因此从应用的角度上看,纳米颗粒的概念应该为:物质颗粒体积效应和表面效应两者之一显著变化或者两者都显著出现的颗粒。

据研究发现:木材在高温热水中可迅速地水解为糖类[2,3],如果进一步加热糖,将分解为各种颜色的物质,这些物质在高温下将聚合为纳米颗粒。在不同的温度和时间条件下冷却,可得到颜料和纳米颗粒。这些颜料可用于食品,绘画,印刷和纺织等工业;而纳米颗粒可用于炸药,复合材料,肥料,吸附材料等。

(2)木材纳米复合材料

当今社会,木材纳米复合材料应用非常广泛,主要就纳米复合材料本质和研究技术给予分析。 纳米复合材料的概念是指分散相尺寸有一维小于100nm的复合材料,纳米复合材料与常规的无机填料/高分子材料复合体系不同,不是无机相与有机相的简单混合,而是两相在纳米至亚微米尺寸范围内的复合,两相界面间存在着较强或较弱的氢键和范德华力的等结合。 因此木材作为一种天然有机高分子材料与无机纳米材料复合构成木质基无机纳米复合材料不仅要有纳米材料的颗粒体积效应,表面效应等性质,而且还要将无机物的刚性,尺寸稳定性和热稳定性与木材的韧性,加工性,介电性以及独特的环境学特性结合在一起,从而产生许多特异性能。

4.纳米技术在木材工业中的应用情况和案例介绍

(1)纳米技术在木材工业中的应用主要有:

[1]纳米技术改变了木材的细胞结构并控制细胞的生长,新的细胞和优良的材种产生了。人们对木材的细胞结构、纤维的构造和材种的分类将有一个新的认识和新的观念。木纤维的定向重组技术将开发出超高强度的纤维板。

[2]木材在变成纳米颗粒以后,木材的材性发生很大的改变,在细粉状态下进行木材液化,不仅环保而且成本低,使木材液化真正工业化。

[3]在造纸业机械高得浆率制浆法可以得到完全实现,小造纸的污染问题得到很好解决。在纸浆中加入纳米添加剂生产出的纸张具有很强的抗静电,纸的质量明显提高。

[4]在木质复合材料中的应用。为了使木材和木材制品适应某种需要或具有改良木材的某种特性,有必要选择适宜方法对木材材性进行化学性处理,制造新型复合木材。木材本身就存在各种空隙,将其它物质的纳米材料加入木材的空隙中,可以改善木材与其他材料的界面性质,以达到更高性能的木质复合材料。

[5]在木材的无损检测方面,由于生物传感器和计算机图像处理相结合,活立木的疾病诊断成为可能,并将及时的得到治疗,拓宽了木材无损检测的研究范围。

(2)纳米技术应用于木材工业两个案例

[1]无机纳米材料在木材环境学中的应用

无机纳米材料对木材的改性可最大限度地保持木材的环境学特征。王西成等制备了无机纳米复合木材,由于纳米材料的小尺寸效应,纳米材料渗入木材细胞壁中成核、长大、聚集,同时与纤维素等大分子发生作作用,成为细胞壁的组成部分,保持了细胞腔的毛细管系统。 纳米材料可制备特殊表面性能的木材,纳米材料由于具有小的尺寸和较大的比表面积,在宏观上表现出很强的表面效应,利用纳米材料的这种性质,可以制备出超双疏性界面物性材料。其基本原理是利用纳米制备的化学方法,在特定的表面上建造纳米尺寸的、几何形状互补的界面结构,由于在纳米尺寸范围内的低凹的表面张力可使吸附的气体分子稳定存在,在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜,这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值,使油或水无法与材料的表面直接接触,从而使材料的表面呈现超常的双疏性[9]。可以预见,利用超双疏性纳米材料技术处理的木材极大地提高木材的防水能力,无需再行处理,兼作木材表面的天然涂料,木材的尺寸稳定性以及视觉特性、触觉特性、调湿特性和空间声学特性等与人类环境有关的应用特性必将大大增强,应用纳米材料这方面的特性来提高木材的性能是很有意义的。

[2]纳米技术的抗菌性能在木材防腐中的应用

对于木材的防腐处理,多年来主要使用的防腐剂有油质的煤杂酚油,油溶性主要是五氯苯酚、环烷酸铜、有机锡化合物等。水溶性的防腐剂主要采用复合型如铜铬砷(CCA)、铜铬硼(CCB)等十余种。这些传统上使用的防腐剂依据其毒性对于防止微生物的危害虽然是有效的,然而这些毒性物质对人畜的健康和环境产生很多不利影响,愈来愈引起人们的重视,这类具有毒性且不抗流失的防腐剂必将停止使用,必将被新的、无毒人类和环境友好的高效防腐剂所替代。近年来利用纳米TiO2 、ZnO等半导体光催化消除和降解污染物成为一个活跃的研究方向。TiO2作为抗菌材料具有化学性质稳定、难容、无毒,抗菌与杀菌力强和具有防霉效应,应用成本低等特点,能氧化大多数的有机污染物和部分无机污染物,将其进行光催化降解,最终生成无毒无味的CO2 、H2 O及一些简单的无机物。因此纳米材料对木材的改性可能赋予木材防腐、杀菌、自清洁等方面的性能。

此外,纳米材料在改善木材的耐候性和阻燃性方面也有很多应用[4]。

5.纳米技术在木材工业中的发展前景

我国木质基复合材料面临着巨大的发展机遇与挑战。木基复合材料应以高科技为先导,加强科技创新,充分体现木质材料工程的新的优势,达到充分合理利用,节约木材和扩大木材资源。木材科学与技术的研究开发将不但注重木材和木质材料基本性质的改变,还注重赋予新的功能,将纳米科技引进到木材科学中极大的扩宽了木材科学的研究领域,促进与相关学科的交叉,外延与综合,使研究深度从细胞水平上升到分子水平,木质基纳米材料将被赋予新的功能[5]。

综上所述,木材纳米科技的产业化前景辉煌。


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