木材基先进功能材料的研究

发布时间：2020-03-27 18:18

【摘要】：木材具有可再生、质轻、环境友好等特性。然而由于蓬松、强度低、不透明、不导电等固有性质,限制了更多的功能化应用。因此,通过研究新技术、新方法来克服木材本身固有的缺陷,从而使其获得高附加值利用,具有重要的意义。本论文以天然木材为原料,充分利用木材天然而独特的组成成分和微观构造,探索设计了多种不同功能的木材基功能材料。主要实验内容如下:利用木材天然而独特的宏观和微观构造,制备了两种各向异性的透明木材复合材料(R-透明木材和L-透明木材)。结果表明,无论是R-透明木材还是L-透明木材,其天然的纤维素结构都被完好的保留,而带有颜色的木素被脱除,由于细胞腔结构中填满了聚合物,使得两种材料具有极高的透明度,其中R-透明木材的透明度更是高达90%,高于L-透明木材的透明度。另外,在400 nm到800 nm的可见波长范围内,两种透明木材的光学雾度都很大,R-透明木材的雾度高于L-透明木材。两种透明木材的机械性能也有显著差异,L-透明木材的断裂强度和模量约为R-透明木材相应值的2倍。通过往木材细胞腔中浸注熔融的金属,制备了一种各向异性的金属-木材复合功能材料。结果表明,金属-木材复合材料具有高度各向异性的导电和导热性能。在金属阵列的平行和垂直方向上的导电率分别为5.4×10~4 S/m(σ_(//))和4.8×10~(-7) S/m(σ_⊥),赋予了该新型材料优异的各向异性电导系数(σ_(//)/σ_⊥≈1.12×10~(11))。同时,该材料在金属阵列的水平方向和垂直方向也拥有各向异性的导热性,其热导率分别为5.23 W/m·K(κ_(//))和0.29 W/m·K(κ_⊥),各向异性系数为18。因此,该新型材料的各向异性系数远大于目前很多材料和聚合物。此外,与天然木材相比,金属-木材复合材料表现出更强的机械性能。通过一种简单高效的“自上而下”一步化学处理方法,制备了一种具有超级柔软性、生物可降解性和生物相容性的超柔木材。通过研究其结构和组成的变化,阐述了其超级柔性的作用机制。结果表明,超柔木材薄膜具有更好的机械性能,相比原始木材增加了约7倍。同时,木材薄膜的杨氏模量由134 MPa降到116 MPa,而其伸长率从0.4%提高到4.6%,这说明处理后木材变得更加柔软且具有更好的延展性。此外,超柔木材在经历1000次弯曲循环后,仍然表现出优异的耐久性。天然木材的曲率为0.195 mm~(-1),而超柔木材的曲率为16.7 mm~(-1)。由于超柔木材具有的良好生物相容性和独特的三维多孔结构,可以提供足够的空间供细胞生长,使其成为一种非常有前景的用于组织工程的3D生物支架材料。受树木水分蒸腾作用的启发,利用木材独特的天然多孔结构和相互连接的通道结构,设计了一种新型碳纳米管修饰的柔性木材膜(F-Wood/CNTs)作为太阳能蒸汽发生装置。结果表明,在可见光和红外区域,F-Wood/CNTs膜具有极低的透光率(1%)和反射率(~2%),因此其具有~98%的超高光吸收效率。在10 kW·m~(-2)光照强度下,F-Wood/CNTs膜的热转化效率高达81%,纯水蒸发速率可达11.22 kg·m~(-2)·h~(-1)。通过从上到下的合成工艺,开发了一种简单而有效的化学方法处理天然轻木来制备层状结构的各向异性木气凝胶。结果表明,层状结构导致各向异性木气凝胶具有良好的机械压缩性和抗脆性,可逆压缩形变高达60%。在40%的形变下,经过10000次压缩循环后,木气凝胶的应力保持率约为90%,这显示出木气凝胶良好的耐脆性和塑性形变。此外,木气凝胶在纵向和横向的热导率值分别为0.028 W/m·K和0.12 W/m·K,两者都分别低于天然木材的0.1 W/m·K和0.15 W/m·K,说明相比于木材,木气凝胶可以作为良好的绝缘材料应用于隔热材料领域。这些先进功能材料的设计和构建,为天然木材资源的高附加值利用提供了理论和技术支持。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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