環(huán)境材料學第11章純天然材料課件

1、11.1純天然材料純天然材料包括木材、竹材、石材等稻殼、辣椒、杏仁葉、桉樹葉、淀粉等也可以作為天然材料。棕、麻11.1.1 木材的結構和成分木材是利用土壤中的水分、空氣中的二氧化碳以及太陽能通過光合作用而成長的有機體，具有各種各樣的年輪結構、組織結構、細胞形態(tài)、空隙結構及化學組成。從結構上看，木材主要由管狀細胞結構和軟組織構成；從成分上看，木材主要成分是纖維素、半纖維素和木質索組成。木材的結構和成分木材與鋼材和水泥的部分性能比較11.1.2 木材的環(huán)境特性優(yōu)異的環(huán)境性能 在樹木的生長、木材的加工和使用過程中對環(huán)境具有非常友好的特性。與鋼材、鋁合金、混凝土及紙材相比，加工木材的過程中，特別是自然

2、干燥木材的礦物燃料消耗和二氧化碳排放量都是最小的。木材的環(huán)境特性木材是有機體，在生長過程中，大量的碳以固體形態(tài)儲藏在其內(nèi)部，用LCA評價其綜合溫室效應，結果發(fā)現(xiàn)木材向大氣中排放的二氧化碳的總量為負值。所以，木材的生長過程對生態(tài)環(huán)境而言，起著調節(jié)溫度的作用。從成分上看，木材具有生物降解性，經(jīng)加工使用后，其廢棄物可通過自然生物過程進行降解，對環(huán)境無不良影響。廢舊木材還可以作為二次資源，進行再循環(huán)利用。廢棄的木材還可以進行焚燒處理，獲取能源，且無固態(tài)廢棄物遺留。 木材及其他材料的環(huán)境特性 再生性木材的可再生性是礦產(chǎn)資源不可比的。人工林資源正在替代天然林資源。從生物多樣性和原材料資源的角度考慮，人工林

3、木材作為環(huán)境友好型材料的優(yōu)勢更大。通過對人工林的品種、生長方式等定向培育，縮短木材的成熟期，易于工業(yè)化利用，并可以在一定程度上實現(xiàn)永久利用。所以，在某種意義上，木材是一種最早的、最標準的環(huán)境材料。固碳作用木材中的C，H，O，N等元素的來源各不相同，以占其中50的C元素而論，它主要來源于大氣中的二氧化碳。早期的樹木研究就已表明，二氧化碳濃度的增加對植物有“施肥效應”，這非常有利于生物圈對大氣中二氧化碳的吸收。通過光合作用，每生長1t木材可吸收1.47t二氧化碳，產(chǎn)生1.07t氧氣，將碳元素固定在樹木中形成纖維材料。這種固碳作用和造氧機能是其他材料所不能比擬的，對地球生物圈的生態(tài)平衡有著重要的作用

4、。木材的調濕性指靠材料自身的吸濕或解吸作用，直接緩和環(huán)境的濕度變化，使?jié)穸确€(wěn)定在一定范圍內(nèi)。調濕性是木材的獨特性能之一，也是其廣泛作為室內(nèi)裝飾材料和家具材料的優(yōu)點所在，對人體健康和物品保存提供了一種環(huán)境調節(jié)作用。木材的視覺特性以特有的質、紋、色、味等特性受到人們的珍愛，是改善人類生活質量的重要材料，在居住條件以至生活環(huán)境中起著重要作用。木材的視覺特性一般以木材的顏色、光澤、紋理、樹節(jié)疤痕等來表示。木材顏色給人以溫暖厚重、沉靜、素雅等感覺；木材表面長纖維切斷后表現(xiàn)出的無數(shù)個細胞凹槽，反射的光澤有著絲綢表面的視覺效果，其他材料的仿制品很難模擬；紋理和節(jié)疤是天然形成的圖案，給人以流暢、井然、輕松、自

5、如的感覺，充分體現(xiàn)了造型規(guī)律中變化與統(tǒng)一的協(xié)調。在樹節(jié)疤痕的感覺上，東、西方各有不同。東方人認為它有缺陷，想辦法清除材面上的樹節(jié)；西方人則認為它有親切、自然的感覺，有時設法尋找有節(jié)的材面，以使其與顏色有一定的對比度，增加層次和立體感。生活環(huán)境中木材的使用量(木材率)對人的心理有直接的影響，木材率的高低與人的溫暖感、穩(wěn)靜感和舒暢感有著密切的關系。木材的觸覺特性當人體接觸到某一物體時，這種物體的接觸就會產(chǎn)生刺激值，使人在感覺上產(chǎn)生某種印象。而這種印象往往是以一個綜合的指標反映在人的大腦中，一般常以冷暖感、軟硬感、促滑感這三種感覺特性綜合評定。與金屬、玻璃、混凝土和石膏等材料相比，木材的冷暖感、軟硬

6、感、促滑感等觸覺特性遠遠優(yōu)于這些材料。 11.1.3 木材改性和應用由于木材具有如上所述的各種各樣的組織結構和化學組成，因而木材具有其特有的各種性能。以強度為例，木材的強度在縱向、切向、半徑三個方向都不同?？v向的壓縮強度是橫向的數(shù)十倍?？v向的拉伸強度為鋼鐵的1/43/5，壓縮強度為混凝土的1.32.5倍。木材的比重很小，僅是鐵的1/20，混凝土的1/5，是一種輕質結構材料。熱傳導率比鐵小三個數(shù)量級,比混凝土小一個數(shù)量級, 同時具有適當?shù)挠捕群土己玫挠|感。年輪和木節(jié)具有特有的木紋和色調，很美觀。具有吸潮和脫潮性, 從而具有調節(jié)室內(nèi)濕度的功能。木材改性和應用也有許多不足之處：由于資源的枯竭，難以得

7、到大直徑的材料；硬度強度不夠高；易腐朽；變色；在不同的使用環(huán)境中，受水、微生物、熱、光等作用而發(fā)生尺寸變化；易燃燒等問題。為了增加使用的可靠性和避免其缺點，對木材進行加工改性后再使用。改性方式包括整體改性、表面改性及細微復合處理等。為了增加可靠性和改善缺點，人們做了多種嘗試，例如：同合成高分子或無機物等其它材料復合化；加工成各種形狀后再組合加工；制造迭層木、三合板、硬質纖維板、木屑纖維板等各種木質材料；防腐、阻燃劑進行處理以改善其性能1）整體改性整體改性主要有物理改性和化學改性等方式。物理改性包括對木材進行外形修飾、形狀加工、組合等，如制成疊層木、三合板、復合板等化學改性包括浸漬處理、減壓注入

8、、加熱注入、化學修飾等方法，可起到防腐、阻燃、耐磨、抗裂、裝飾等作用。目前，木材的化學處理越來越流行，通過化學途徑對木材進行改性，可使木材具有優(yōu)異的性能。 木材塑合（WPC-WPC）是將具有聚合性的單體類或低聚體類注入木材空隙中，通過聚合反應使其硬化聚合形成高分子樹脂而制得。由于木材中生成了堅硬的樹脂，因而硬度和強度可提高好幾倍，同時，耐磨性也提高了。由于樹脂的覆蓋而顯示出獨特的表面光澤，不易污損，不易損壞，著色后色調也很漂亮。木材-無機物質復合體(WIC-WIC)將木材和無機物組分進行復合處理，改善木材的阻燃性和耐腐蝕性。具體工藝是將木材浸泡在配好的無機鹽溶液中，通過陽離子（如鋇離子）和陰離

9、子（如磷酸二氫根離子）交替擴散浸透到木材空隙中發(fā)生無機反應，生成非水溶性鹽（磷酸鋇、磷酸氫鋇）而制成的。因填充的無機物質可阻止木材的熱分解、腐朽真菌絲體的成長和白蟻的侵食等，可獲得良好的阻燃性、抗腐蝕性及抗蟻性。改善木材的強度、彈性模量等機械性能?；瘜W修飾通過細胞壁中各組成部分的羥基與試劑反應，改變木材的化學結構。因為這些處理都是將親水性的羥基用體積大的疏水性官能團置換而成，所以處理后木材的吸濕性，尺寸穩(wěn)定性等都有所改善。此外，由于木材的化學結構改變了，腐朽真菌的酶不易侵入，提高了木材的抗腐性和抑制白蟻侵食的能力。與WPC等處理不同，化學修飾法因不向空隙中填充任何東西，強度幾乎沒有什么變化。2

10、) 表面改性僅以改善木材表面性質為目的的表面改性。木材的表面改性方法：表面壓實非電解鍍膜等離子體處理表面壓實最簡單的表面改性方法利用木材在水和熱的作用下變軟的特性，將水浸透到表面一定深度，利用力學原理，用熱壓的方法將表面壓實，然后對其進行樹脂處理、化學修飾、熱處理、高溫高壓水蒸氣處理等，使壓實的表面固定下來，從而使木材表面的密度和硬度等使用性能得到提高。 非電解鍍膜處理方法：將木材表面浸入金屬離子和還原劑的混合水溶液中進行鍍膜的一種方法。利用這種方法可以使木材表面得到金屬光澤，具有裝飾性，同時在金屬的保護下，可以提高抗細菌腐蝕和抗紫外線照射的耐久性。通常用于高級木材的表面處理，如汽車內(nèi)箱儀表板等。11.2 竹材的開發(fā)和利用竹 多年生草本植物？最大的禾本科植物致密性好，材質柔韌，結構不均勻，價格低廉生長快、產(chǎn)量高、生態(tài)功能強11.2.1 竹材的結構與性質密度0.4-0.8g/cm3各向異性典型長纖維復合材料11.2.1 竹材的加工與利用竹材人造板：竹膠合板竹集成材竹地板竹層積材竹復合板竹碎料板竹纖維板竹漿造紙速生其它用途竹炭竹醋液鮮竹瀝液11.3 石材的開發(fā)和利用巖石成因和成分具有裝飾性和可加工性巖石的三種成因：火成巖，沉積巖，變質巖大理石大理石是地殼中原有的巖石經(jīng)