专利名称：一种木质素陶瓷的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种木陶瓷的制造工艺，特别是涉及一种以工业木质素为原料， 方法简单而产品强度较高的木陶瓷制造工艺。
背景技术：
随着人们对环境的重视，新型生态环境材料成为世人关注的焦点。利用废 弃可再生的生物资源制备高性能的新材料，逐步减少不可再生资源的消耗，对 于保护地球环境具有重大意义。木陶瓷就是基于"利用废弃可再生材料，仓性高 性能新材料"的思想而开发出的一种新型炭材料。木陶瓷是日本学者岡部敏弘
(ToshihiroOkabe)等于1990年提出的，将木质材料经酚醛树脂浸渍处理、干 燥固化后在真空(或氮气保护)下高温烧结而成的新型多孔炭材料。原材料价 格低廉，来源广泛，废纸、废弃木材等都可作为其原料，加工制造过程中没有 环境污染，且强重比高，在力学、热学、电磁学和摩擦学等方面具有优异的特 性，经加工后可广泛用作电极、发热体、电机炭刷、刹车衬里、耐腐蚀材料、 绝热材料、过滤材料等，是21世纪某些不可再生材料的理想替代品，具有广阔 的应用前景。
正是由于木陶瓷是一种高效禾拥木材'三剩物'帝幌的具备多种优异性能的 新材料，近些年弓胞了禾辆开人员越来越多的重视，如西安顿大学的马荣等 曾采用白松、桦木、青冈木与五合板为原料，浸渍酚醛树脂乙醇溶液，经树月旨
固化后，放入真空炉中，在N2保护气氛中以5"C/min的速度分别升温至预定 温度，保温4h后随炉冷却制得木陶瓷。根据其研究结果，不同树种的木陶瓷性 能存在着较大差异。试样的各种性能一般在40(TC 60(TC左右出现较大转折， 如密度、强度、硬度最低，气孔率最高，电阻率的下降,Alt匕变缓。这与 W指口 树脂在此温度区间发生剧烈反应而引起的物理、化学变化是相一致的。超过此 MT变后，各项性能都将趋于稳定。他认为，浸渍能有效地改善木陶瓷的性能，
但弯曲强度、维氏硬度等性能有反常现象，说明树脂加入后有双向影响，艮卩 柳旨对气孔的填充与封闭并存、力膙固定与限制削弱并存。具体表现为因产
生、消除封闭气孔，影响了密度，从而削弱了试样强度，增加了缺陷的产生。 合肥工业大学的吴文涛等以甘蔗渣为原料，采用混合后热压再烧结的工艺制备 木陶瓷，并对其密度、气孔率、强度、电阻率等性能进行了测试，对其性育辦 征、形成机理及规律进行了分析，初步展示了原料配比、酚醛树腊浓度、MS 等参W"整个制备过禾扱木陶瓷性能的影B向，实验结果证明了通过该工艺用甘 蔗渣制备木陶瓷的可行性。」:海交通大学的谢贤清等曾研究木陶瓷形态待征与 阻尼性质，以及两者之间的关系，木陶瓷具有较大的阻尼值，在振幅和振动频 率较高时更大。申请者曾针对木陶瓷的帝隨工艺、木陶瓷的耐磨性和力学强度、
以及木陶瓷的孔隙结构等进行了系列的研究。研究釆用酚醛树腊浸渍木M^科， 经过高温烧结制得木陶瓷产品，产品得率、性能和炭材料组成等受树Jf浓度和 烧结温度影响较大。通过低温氮吸附法分析木陶瓷的孔隙结构，发现普職化 物样品吸附能力很差，酚醛树脂处理为炭化物引入较多的微 L，吸附能力得到
改善。通过扫描电子显微镜(SEM)观察，酚醛树脂对7l^才细胞壁有润胀、填 充作用，从而增强细胞壁，很多树脂填充于交错纤维间的空隙中，增强了纤维
与纤维间的结合。
日本学者在证明了木陶瓷有优异的耐磨、电磁屏蔽等特性后，研究开始转 向木陶瓷在应用过程的一些相关性质，如Takahiro Fujino等研究了在100 800°C 及压力高达100MPa的条件下热水处理时炭化木质材料的行为和稳定性，研究 表明，由于高温和热水的侵蚀，木质材料表现出了明显的重量损失，在5(XTC以 .匕样品侵蚀更严重。Yasuko Oishi等还研究了木陶瓷在不同氧浓度下的热性质。 另外，为了得到更加环境友好的木陶瓷，Takashi Hirose等用液^7fc材代替酚醛 树脂浸渍废弃木质材料，^ff究了炭化温度和炭化速率对该木陶瓷化学结构的 影响。
工业木质素是制^t纸的畐ij产品，目前回收利用率不高，大部分随废水排 放，既污染环境，又浪费资源。工业木质素的资源化利用具有重大的经济、社 会与环境效益。实现工业木质素的资源生态化利用，技术创新是最重要的^#。 虽然工业木质素通过改性后作为混凝土减水剂、水处理剂、水煤浆分散剂等方 面的研究与应用己取得一定进展，但，据估计，每生产1吨纸就有约0.5吨木 质素排出。我国造纸废水中的主要污染物是木质素，废7jC污染占全国工皿7K
量的30%。所以工业木质素的开发利用迫在眉睫。如何充分合理地利用木质废 料，创生高性能、高附加值的材料和产品，是摆在我国*#科学工作者面前一 个亟待解决的问题。木质素陶瓷的研制和幵发为工业木质素废料的高效利用开 辟了新途径，对促进复合材料科学的进一步发展，促进^^"的高效利用和实现 环境保护，都将具有积极的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种以工业木质素为原料，方法简单而产品纟贼较高 的木陶瓷制造方法。
本发明的木质素陶瓷的制造方法为 C )树脂浸渍木质素经质量分数为5% 50%酚醛树月^浸渍处理至完全
浸透，并干燥至含水率为15%以下；
(二) 模压成型将酚醛树脂浸渍并千燥后的木质素粉末铺装于模具中，
在120°C 200°C ， lMPa 20Mpa的条件下压制成型；
(三) 烧结
a、 真空烧结将成型的样品放入真空烧结炉中，抽真空至绝压在104Pa以 下，以不超过10。C/min的平均升温速度加热至60(TC以上，保持0h 3h，然后 降温，即得到强度较高的木质素陶瓷。
b、 氮气保护烧结将成型的半成品放入烧结炉中，充入氮气、压力为常压; 然后以1 °C/min 10°C/min的f均升温速度加热至600。C 2500°C ，保持0h 3h， 然后降温，即得到强度较高的木质素陶瓷。
本发明的木质素陶瓷的制造方法与普通木陶瓷的制造方法有所不同。普通 木陶瓷是将木质材料经酚醛树脂浸渍处理、干燥固化后在真空(或氮气保护) 下高温烧结而成的新型多孑L炭材料。本发明的木质素陶瓷以工业木质素粉末为 基本原料，经酚醛树脂浸渍处理，然后用*莫具热压成型，再经过高i^烧结而成。 本发明原料成本低，产品具有优良的力学强度，并且生产工艺简单。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式按照如下步骤制造木质素陶瓷-第一步树脂浸渍。木质素经质量分数为5% 50%酚醛树)^浸渍处理至完 全浸透，并干燥至含水率为15%以下，从而保证了均匀浸渍。
第二步:模压成型。将酚醛树脂浸渍并千燥后粉末铺装于模具中，在120°C
200°C， lMPa 20Mpa的割牛下压制成型。
第三步调质^B喿。板坯经过热压后，板子内部依然存在含水率梯度，板
子与外界的温差较大，因此板的热应力分布不均，放置一段时间后，非常容易 翘曲，因此热压后需要放在恒温横湿环境下进行调质处理，并用一定的重物压
住，以保证制件的平整。经过调质处理后，需要放置在12(TC的恒温鼓风干燥箱
中进行干燥。
第四步真空烧结。先将成型的样品放入真空烧结炉中，抽真空至绝压在
104Pa以下，以不超过1(TC/min的平均升温速度加热至60CTC以上，保持Oh
3h，然后降温。在烧结过程中有大量气体放出，真空度下降，需要真空泵工作 来维持真空。
本实施方式中所用木质素可以为各种工业木质素，如硫酸盐木质素、碱木 质素(烧碱法木质素、其他碱木质素)或木质素磺酸盐。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是，第四步为氮气 保护烧结将成型的半成品放入烧结炉中，充入氮气、压力为常压；再都以 rC/min l(rC/min的平均升温速度加热至600。C 250(rC，保持0h 3h，然后 降温，即得到强化木质素陶瓷。
具体实施方式
三以硫酸盐木质素为原料，当按照木质素酚醛树脂为4: 1配比时，对木质素进行树脂浸渍处理至完全浸透，干燥至含水率为12%，铺
装，在18(TC、 15.0Mpa下热压20min。调质、烘干，将成型的样品放入真空烧 结炉中，抽真空至绝压在104Pa以下，起始温度为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 自然降温，得成品。产品的压縮剪切强度达到22Mpa，而以3: 7的木批粉和酚 醛树脂为原料，在80(TC下烧结所得木陶瓷的压縮剪切强度仅为llMPa。
具体实施方式
四以烧碱法木质素为原料，当按照木质素酚醛树脂为3: 1配比时，对木质素进行树脂浸渍处理至完全浸透，干燥至含水率为5%，铺装，
在15(TC、 10.0Mpa下热压30min。调质、烘干，将成型的样品放入真空烧结炉 中，抽真空至绝压在104Pa以下，起始温度为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
降温，得成品。产品的压缩剪切强度达到36Mpa。
具体实施方式
五以硫酸盐木质素为原料，当按照木质素酚醛树脂为2:
1配比时，对木质素进行树脂浸渍处理至完全浸透，^P燥至含水率为2%，铺装， 在12(TC、 10.0Mpa下热压50min。调质、烘干，将成型的样品方认真空烧结炉 中，抽真空至绝压在104Pa以下，起始温度为室温。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 自然降温，得成品。产品的压縮剪切强度达到36Mpa。
具体实施方式
六以工业碱木质素为原料，当按照木质素:酚醛树脂为1.33: 1配比时，对木质素进行树脂浸渍处理至完全浸透，干燥至含水率为10%，铺 装，在15(TC、 10.0Mpa下热压30min。调质、烘干，将成型的样品放入真空烧 结炉中，抽真空至绝压在104Pa以下，起始纟鹏为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 后自然降温，得成品。产品的压縮剪切强度达到38Mpa。
权利要求
1、一种木质素陶瓷的制造方法，其特征在于所述方法为(一)树脂浸渍木质素经质量分数为5％～50％酚醛树脂浸渍处理至完全浸透，并干燥至含水率为15％以下；(二)模压成型将酚醛树脂浸渍并干燥后的木质素粉末铺装于模具中，在120℃～200℃，1MPa～20Mpa的条件下压制成型；(三)真空烧结将成型的样品放入真空烧结炉中，抽真空至绝压在104Pa以下，以不超过10℃/min的平均升温速度加热至600℃以上，保持0h～3h，然后降温，即得到强度较高的木质素陶瓷。
2、 根据权利要求1所述的一种木质素陶瓷的制造方法，其特征在于所述木 质素为硫酸盐木质素、碱木质素或木质素磺酸盐。
3、 -种木质素陶瓷的帝隨方法，其特征在于所述方法为(一) 树脂浸渍木质素经质量分数为5% 50%酚醛树脂浸渍处理至完全浸透，并^B喿至含水率为15X以下；(二) 模压成型将酚醛树脂浸渍并干燥后的木质素粉末铺装于模具中， 在120°C 200°C， lMPa 2()Mpa的条件下压制成型；(三) 氮气保护烧结将成型的半成品放入烧结炉中，充入氮气、压力为 常压；然后以rC/min 10。C/min的平均升温速度加热至60(rC 25(XrC，保持 Oh 3h，然后降温，即得到强度较高的木质素陶瓷。
4、 根据权利要求3所述的一种木质素陶瓷的制造方法，其特征在于所述木 质素为硫酸盐木质素、碱木质素或木质素磺酸盐。
全文摘要
一种木质素陶瓷的制造方法，涉及一种木陶瓷的制造工艺。本发明的目的是提供一种以工业木质素为原料，方法简单而产品强度较高的木陶瓷制造方法，其具体工艺为(一)树脂浸渍木质素经酚醛树脂浸渍处理至完全浸透，并干燥至含水率为15％以下；(二)模压成型将酚醛树脂浸渍并干燥后的木质素粉末铺装于模具中压制成型；(三)真空或氮气保护烧结，得到强度较高的木质素陶瓷。本发明原料成本低，产品具有优良的力学强度，并且生产工艺简单。
文档编号C04B35/622GK101108772SQ20061001030
公开日2008年1月23日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者芳 刘, 刘一星, 坚 李, 李淑君, 陶毓博 申请人:东北林业大学