环境材料学第11章纯天然材料.ppt

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1、11.1纯天然材料,纯天然材料包括木材、竹材、石材等稻壳、辣椒、杏仁叶、桉树叶、淀粉等也可以作为天然材料。棕、麻,11.1.1 木材的结构和成分木材是利用土壤中的水分、空气中的二氧化碳以及太阳能通过光合作用而成长的有机体，具有各种各样的年轮结构、组织结构、细胞形态、空隙结构及化学组成。从结构上看，木材主要由管状细胞结构和软组织构成；从成分上看，木材主要成分是纤维素、半纤维素和木质索组成。,木材的结构和成分,木材与钢材和水泥的部分性能比较,11.1.2 木材的环境特性,优异的环境性能 在树木的生长、木材的加工和使用过程中对环境具有非常友好的特性。与钢材、铝合金、混凝土及纸材相比，加工木材的过程中

2、，特别是自然干燥木材的矿物燃料消耗和二氧化碳排放量都是最小的。,木材的环境特性,木材是有机体，在生长过程中，大量的碳以固体形态储藏在其内部，用LCA评价其综合温室效应，结果发现木材向大气中排放的二氧化碳的总量为负值。所以，木材的生长过程对生态环境而言，起着调节温度的作用。从成分上看，木材具有生物降解性，经加工使用后，其废弃物可通过自然生物过程进行降解，对环境无不良影响。废旧木材还可以作为二次资源，进行再循环利用。废弃的木材还可以进行焚烧处理，获取能源，且无固态废弃物遗留。,木材及其他材料的环境特性,再生性,木材的可再生性是矿产资源不可比的。人工林资源正在替代天然林资源。从生物多样性和原材料资源

3、的角度考虑，人工林木材作为环境友好型材料的优势更大。通过对人工林的品种、生长方式等定向培育，缩短木材的成熟期，易于工业化利用，并可以在一定程度上实现永久利用。所以，在某种意义上，木材是一种最早的、最标准的环境材料。,固碳作用,木材中的C，H，O，N等元素的来源各不相同，以占其中50的C元素而论，它主要来源于大气中的二氧化碳。早期的树木研究就已表明，二氧化碳浓度的增加对植物有“施肥效应”，这非常有利于生物圈对大气中二氧化碳的吸收。通过光合作用，每生长1t木材可吸收1.47t二氧化碳，产生1.07t氧气，将碳元素固定在树木中形成纤维材料。这种固碳作用和造氧机能是其他材料所不能比拟的，对地球生物圈的

4、生态平衡有着重要的作用。,木材的调湿性,指靠材料自身的吸湿或解吸作用，直接缓和环境的湿度变化，使湿度稳定在一定范围内。调湿性是木材的独特性能之一，也是其广泛作为室内装饰材料和家具材料的优点所在，对人体健康和物品保存提供了一种环境调节作用。,木材的视觉特性,以特有的质、纹、色、味等特性受到人们的珍爱，是改善人类生活质量的重要材料，在居住条件以至生活环境中起着重要作用。木材的视觉特性一般以木材的颜色、光泽、纹理、树节疤痕等来表示。木材颜色给人以温暖厚重、沉静、素雅等感觉；木材表面长纤维切断后表现出的无数个细胞凹槽，反射的光泽有着丝绸表面的视觉效果，其他材料的仿制品很难模拟；纹理和节疤是天然形成的图

5、案，给人以流畅、井然、轻松、自如的感觉，充分体现了造型规律中变化与统一的协调。在树节疤痕的感觉上，东、西方各有不同。东方人认为它有缺陷，想办法清除材面上的树节；西方人则认为它有亲切、自然的感觉，有时设法寻找有节的材面，以使其与颜色有一定的对比度，增加层次和立体感。生活环境中木材的使用量(木材率)对人的心理有直接的影响，木材率的高低与人的温暖感、稳静感和舒畅感有着密切的关系。,木材的触觉特性,当人体接触到某一物体时，这种物体的接触就会产生刺激值，使人在感觉上产生某种印象。而这种印象往往是以一个综合的指标反映在人的大脑中，一般常以冷暖感、软硬感、促滑感这三种感觉特性综合评定。与金属、玻璃、混凝土和

6、石膏等材料相比，木材的冷暖感、软硬感、促滑感等触觉特性远远优于这些材料。,11.1.3 木材改性和应用,由于木材具有如上所述的各种各样的组织结构和化学组成，因而木材具有其特有的各种性能。以强度为例，木材的强度在纵向、切向、半径三个方向都不同。纵向的压缩强度是横向的数十倍。纵向的拉伸强度为钢铁的1/43/5，压缩强度为混凝土的1.32.5倍。木材的比重很小，仅是铁的1/20，混凝土的1/5，是一种轻质结构材料。热传导率比铁小三个数量级,比混凝土小一个数量级,同时具有适当的硬度和良好的触感。年轮和木节具有特有的木纹和色调，很美观。具有吸潮和脱潮性,从而具有调节室内湿度的功能。,木材改性和应用,也有

7、许多不足之处：由于资源的枯竭，难以得到大直径的材料；硬度强度不够高；易腐朽；变色；在不同的使用环境中，受水、微生物、热、光等作用而发生尺寸变化；易燃烧等问题。为了增加使用的可靠性和避免其缺点，对木材进行加工改性后再使用。改性方式包括整体改性、表面改性及细微复合处理等。为了增加可靠性和改善缺点，人们做了多种尝试，例如：同合成高分子或无机物等其它材料复合化；加工成各种形状后再组合加工；制造迭层木、三合板、硬质纤维板、木屑纤维板等各种木质材料；防腐、阻燃剂进行处理以改善其性能,1）整体改性,整体改性主要有物理改性和化学改性等方式。物理改性包括对木材进行外形修饰、形状加工、组合等，如制成叠层木、三合板

8、、复合板等化学改性包括浸渍处理、减压注入、加热注入、化学修饰等方法，可起到防腐、阻燃、耐磨、抗裂、装饰等作用。目前，木材的化学处理越来越流行，通过化学途径对木材进行改性，可使木材具有优异的性能。,木材塑合（WPC-WPC）,是将具有聚合性的单体类或低聚体类注入木材空隙中，通过聚合反应使其硬化聚合形成高分子树脂而制得。由于木材中生成了坚硬的树脂，因而硬度和强度可提高好几倍，同时，耐磨性也提高了。由于树脂的覆盖而显示出独特的表面光泽，不易污损，不易损坏，着色后色调也很漂亮。,木材-无机物质复合体(WIC-WIC),将木材和无机物组分进行复合处理，改善木材的阻燃性和耐腐蚀性。具体工艺是将木材浸泡在配

9、好的无机盐溶液中，通过阳离子（如钡离子）和阴离子（如磷酸二氢根离子）交替扩散浸透到木材空隙中发生无机反应，生成非水溶性盐（磷酸钡、磷酸氢钡）而制成的。因填充的无机物质可阻止木材的热分解、腐朽真菌丝体的成长和白蚁的侵食等，可获得良好的阻燃性、抗腐蚀性及抗蚁性。改善木材的强度、弹性模量等机械性能。,化学修饰,通过细胞壁中各组成部分的羟基与试剂反应，改变木材的化学结构。因为这些处理都是将亲水性的羟基用体积大的疏水性官能团置换而成，所以处理后木材的吸湿性，尺寸稳定性等都有所改善。此外，由于木材的化学结构改变了，腐朽真菌的酶不易侵入，提高了木材的抗腐性和抑制白蚁侵食的能力。与WPC等处理不同，化学修饰法

10、因不向空隙中填充任何东西，强度几乎没有什么变化。,2)表面改性,仅以改善木材表面性质为目的的表面改性。木材的表面改性方法：表面压实非电解镀膜等离子体处理,表面压实,最简单的表面改性方法利用木材在水和热的作用下变软的特性，将水浸透到表面一定深度，利用力学原理，用热压的方法将表面压实，然后对其进行树脂处理、化学修饰、热处理、高温高压水蒸气处理等，使压实的表面固定下来，从而使木材表面的密度和硬度等使用性能得到提高。,非电解镀膜,处理方法：将木材表面浸入金属离子和还原剂的混合水溶液中进行镀膜的一种方法。利用这种方法可以使木材表面得到金属光泽，具有装饰性，同时在金属的保护下，可以提高抗细菌腐蚀和抗紫外线

11、照射的耐久性。通常用于高级木材的表面处理，如汽车内箱仪表板等。,11.2 竹材的开发和利用,竹 多年生草本植物？最大的禾本科植物致密性好，材质柔韧，结构不均匀，价格低廉生长快、产量高、生态功能强,11.2.1 竹材的结构与性质,密度3各向异性典型长纤维复合材料,11.2.1 竹材的加工与利用,竹材人造板：竹胶合板竹集成材竹地板竹层积材竹复合板竹碎料板竹纤维板,竹浆造纸,速生,其它用途,竹炭竹醋液鲜竹沥液,11.3 石材的开发和利用,岩石成因和成分具有装饰性和可加工性岩石的三种成因：火成岩，沉积岩，变质岩,大理石,大理石是地壳中原有的岩石经过地壳内高温高压作用形成的变质岩。,天然石材的特性,耐火性热胀冷缩耐冻性,表11-6,其它天然材料的开发和利用,11.4.1 稻壳提取木糖醇图11-1,图11-2,稻壳灰制活性炭、水玻璃、高纯硅,粉碎还田饲料建材活性炭发电提取乙醇,11.4.2 秸秆,纤维素、甲壳素和淀粉废弃羽毛由树叶提取香精油、生物医药制剂及食品添加剂,11.4.3 其它天然材料的综合利用,