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《固体废物处理与处置》实验指导书

实验一 植物残渣的综合利用（木质陶瓷化）（4个学时）

一 实验目的

以麦秸、稻草、木屑、甘蔗渣等为原料, 采用破碎、混合、浸渍、热压成型、烧结等工艺制备出木质陶瓷，制备出了各温度点下的木质陶瓷，对其密度、气孔率、强度、电阻率等性能进行测试，对其性能特征、形成机理及规律进行分析研究。初步展示了原料配比、酚醛树脂浓度、温度等参数对整个制备过程及木质陶瓷性能的影响。实验结果证明了通过该工艺用麦秸或甘蔗渣等制备木质陶瓷的可行性, 同时也表明粘结剂和烧结温度对木质陶瓷性能影响很大，实验为麦秸、甘蔗渣等植物残渣的利用开辟了新的途径。为木质陶瓷的研究开辟了新的方向和空间。

通过实验，让学生掌握《固体废物处理与处置》课程中的收集、干燥、破碎、筛分、压实、浸渍、热处理等处理与处置工艺，熟悉基本过程，制备出试验样品，了解密度、气孔率、强度、电阻率等性能的测试原理与方法。

二 实验原理

木质陶瓷由日本青森工业试验场的冈部敏弘和斋藤幸司于1990年开发，是一种采用木材(或其它木质材料)在热固性树脂中浸渍后真空碳化而成的新型多孔质碳素材料，其中的木质材料烧结后生成软质

无定形碳，树脂生成硬质玻璃。

木质陶瓷最初用天然木材制造，但由于原木及制品存在轴向、径向、切向上的不均匀性和各向异性、烧结尺寸精度低等问题，后多采用中质纤维板(MDF，一般气干比重0.7g/cm3左右,含水8％左右)，这样, 原料基本上只有板面与板厚方向的性质区别。甲醛树脂在木制品中广泛应用, 木质陶瓷制备中常选用其中的酚醛树脂，这多出于它价格低廉、合成方便, 而且游离甲醛较少, 燃烧后只生成CO2和H2O，具有环境协调性。浸渍时常采用低压超声波技术以提高浸渍率及其均匀性。碳化过程中伴随有复杂的脱水、油蒸发、纤维素碳链切断、脱氢、交联和(碳)晶型转变等反应变化机理及控制利用是值得深入研究的。一般来说，木材在400℃左右形成芳香族多环，而后缓慢分解为软质无定形碳，树脂500℃以上分解为石墨多环而后形成硬质玻璃碳。玻璃碳以其硬质贝壳状断口而命名，其基本结构为层状碳围绕纳米级间隙混杂排列的三维微孔构造，既有碳素材料的耐热、耐腐蚀、高热导率、导电性, 也具有玻璃的高强度、高硬度、高杨氏模量、均质性和对气体的阻透性。2000℃以上试样基本全部碳化。激光加工因有高精度的突出优点而受到重视。其中脉冲式CO2激光器对木质陶瓷断续加热,热应力较小, 能避免加工裂纹的出现, 是有前景的木质陶瓷加工工具。

木质陶瓷的残碳率、硬度、强度、杨氏模量和断裂韧性都随含浸率或烧结温度的提高而增加。现有木质陶瓷的断裂韧性很低, 约在0.15~0.3MPa?m1/2的范围, 与冰相似, 但其断裂应变随浸渍率及烧结温度的降低而升高, 为1~10％左右, 远高于冰、水泥、SiC等脆性材

料, 甚至也高于铝材。木质陶瓷的摩擦系数几乎不随对磨材料的种类、粗糙度、润滑剂和滑动速率的影响, 一般稳定在0.1~0.15之间, 但随荷重的增加而有所下降，认为木质陶瓷结构多孔,润滑油难以形成明显油膜, 只主要起冷却作用,因此对各种耐热材料在各种对磨速率下都难以减低其摩擦系数，同时石墨的剪切强度不随表面、内部而变化, 因此对磨材料的粗糙度也不影响摩擦系数，但由于荷重的增加将导致木质陶瓷表面间隙的减少, 从而多少体现出油膜的效果。其磨损率可控制在7~10mm3/Nm的量级, 现已有木质陶瓷在制动装置和无心磨床上的应用研究。随烧结温度升高，碳化程度的进展, 木质陶瓷从绝缘体过渡到导体，其导电率随电频增加而减少。较高的导电性认为来自C-C结合的非极性电子的自由电子状态。根据其电阻值随环境温度、湿度的上升而大致程线性下降的关系，可开发出新型温敏、湿敏元件，如测温、测湿计等等。在复电导率中，代表能量损失的虚部较代表极化大小的实部为大，因此木质陶瓷可作电磁屏蔽材料。同时由于木质陶瓷具有多孔结构，可散射、吸收电磁波而减弱反射波。烧结温度超过700℃, 木质陶瓷便具有逐渐增强的电磁屏蔽性能,在1GHz内，从100~500MHz区间有最大电屏性能；而频率越高，磁屏性能越高，可达50dB左右。800℃烧结的木材陶瓷的热容数值大于金属而与硅酸盐接近,并随烧结温度升高而降低。木质陶瓷的远红外放射率和放射辉度与黑体相似，前者恒为80％，与波长无关, 远高与一般金属，也与别的陶瓷材料有显著区别。由于人体多靠远红外线获取热量, 因此, 木质陶瓷极有发展成房暖材料的潜力。

木质陶瓷的最大特点与优点在于环境协调性。其原料——木材是