木粉/环氧树脂木材陶瓷的制备及其性能研究

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大量资源的消耗及废物的产生导致了环境的严重污染,如何在节约资源和能源的基础上处理并有效利用废弃物,是当前研究的重点。木材陶瓷作为一种生态材料受到人们越来越多的关注,其优异的耐磨性、耐腐蚀性、导电性、高强度、低密度以及电磁屏蔽等特性,使得它在许多工业领域表现出巨大的应用潜力。本研究从木材加工剩余物高效利用的角度出发,选取木粉和环氧树脂作为制造木材陶瓷的主要原料,采用磁力搅拌的方法代替传统浸渍法,在氮气气氛保护下高温烧结制备木材陶瓷。通过预实验及木粉、环氧树脂的热重分析初步确定了烧结工艺和原材料的配比范围,后期具体分析了原料配比、烧结温度、保温时间等对木材陶瓷得碳率、体积收缩率、开口气孔率以及力学性能的影响,通过XRD和SEM分析研究了不同原料配比、烧结温度下木材陶瓷的微观结构和形貌,重点分析了不同工艺和摩擦条件下木材陶瓷的摩擦学性能。通过改变木材陶瓷的制备条件,发现随着环氧树脂含量的降低、烧结温度的升高以及保温时间的延长,木材陶瓷的得碳率逐渐降低,体积收缩率逐渐增加。开口气孔率随环氧树脂含量的升高逐渐降低,随烧结温度的升高先逐渐上升,1000℃以后呈现下降趋势。SEM分析发现木材陶瓷是由木粉碳化生成的无定形碳和环氧树脂生成的玻璃态碳组成的碳/碳复合材料。木粉碳化后部分保留了木材原有的管胞结构,木碳颗粒被环氧树脂生成的玻璃态碳所包围。通过XRD分析发现木材陶瓷的XRD图中仅出现了两个类似石墨的峰,分别为(002)峰和(100)峰,不同原料配比的木材陶瓷结构变化不大,烧结温度对木材陶瓷的石墨化程度略有影响。木材陶瓷的显微硬度,抗弯强度,抗压强度均随着环氧树脂含量的增加而逐渐增加,但木粉和环氧树脂的质量比应该控制在4:4以上,烧结温度在一定范围内的提高也能增加其力学性能。通过研究不同工艺条件下制备的木材陶瓷的摩擦学性能,发现环氧树脂的含量过高或过低都对木材陶瓷的耐磨性不利,当木粉与环氧树脂比值为4:2时木材陶瓷的耐磨性相对较好。烧结温度对木材陶瓷的耐磨性影响不大,载荷对木材陶瓷的耐磨性影响较大,水润滑条件下木材陶瓷的磨损量较无润滑时有所降低,高速时下降幅度较为明显。木材陶瓷在磨损初期磨损量较大,随着时间的延长磨损量逐渐降低,最终保持在一较低的磨损量上。以上实验研究证实了采用废弃物木粉与环氧树脂制备木材陶瓷的可行性,用加热磁力搅拌的方法代替传统浸渍法一样可以制备出良好性能的木材陶瓷,其不仅能资源回收,而且解决了一直以来树脂浸渍木材的不均匀问题,为木材陶瓷的工业化生产奠定了基础。
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