第十章环境材料分类Word下载.docx
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其他〔灰分、萃取成分〕
木材是森林的主产品，是一种可以永续应用的再生资源，除了可以做修建、家具、乐器、电杆、枕木、桥梁外，还可制成各种多功用的天然板。
木材的易胀缩、易腐朽、易蛀蚀、易燃等缺陷，可以经过改性、防腐、防虫、阻燃等处置，提高其应用价值。
不同的树种其细胞构成也各式各样，以针叶树为例，它有坚持树体和输导水分两种功用的管胞，约占89%-99%，软组织约为5%，辐射状组织1%-7%，树脂管道约2%。
阔叶树相对复杂一些，输导水分的大口径导管占5-52%，坚持树体的小直径木质纤维占32-83%，此外还有软组织1-37%，辐射状组织4-20%。
这些细胞的内孔局部称为永世空隙，木材由于湿润或枯燥而收缩或收缩，但永世空隙的大小简直不发作变化。
细胞壁中也存在湿润时出现、枯燥时消逝的微空隙，将这种空隙称为瞬间空隙。
木材中这些空隙所占的体积比随树种和比重的不同而不同，大约为47-83%。
细胞壁由多层构成，从外向里区分是细胞间层，次生壁的外层、中层、内层等。
各壁层由纤维素构成的直径为几纳米至几十纳米的显微原纤维以各种角度呈螺旋状陈列，其周围由半纤维素和木质素包围着。
这种结构与钢筋混凝土的结构很相似，纤维素相当于钢筋，木质素相当于混凝土，半纤维素那么相当于使两者能很好结合的铁丝。
纤维素是由葡萄糖以直链状方式结合构成的多糖类，半纤维素那么是各种单糖少量结合构成的多糖类。
针叶树与阔叶树的单糖组成有很大区别。
木质素是由两种苯基丙烷为基本骨架，以各种方式结分解的庞大高分子，针叶树与阔叶树的木质素构成方式也有所不同。
细胞壁的化学成分因树种的不同而显示出多样性，普通含纤维素40-50%，半纤维素5-20%，木质素20-30%，此外，萃取成分为2%以上，灰份0.2-0.5%左右。
且这些化学成分比随细胞壁层不同而不同，细胞壁层中木质素较多，而次生壁中纤维素含量较高。
这些化学成分中都含有羟基，当试剂与木材反响时，它即成为反响的活化点。
在纤维素和半纤维素各种组成的单糖中含有二、三个羟基，木质素中那么为具有醇和苯酚两种不异性质的羟基。
这些羟基的反响特性不只与其存在的成分有关，而且也与它存在的位置有关。
表10-2是木材与钢材和水泥的局部功用比拟。
可见木材的密度较小，大约只要钢材的1/20、水泥的1/4。
而且，木材的导热性最小，吸水率较大，具有钢材和水泥所不具有的特点，作为室内结构和装饰资料有清楚的优势。
表10-2木材与钢和水泥的局部功用比拟
钢材
水泥
木材
密度/g/cm3
约8
约1.8
约0.4
比强度、纵向拉伸
1
1/4
比强度、紧缩
2.5
导热性/W/（cm·
℃）
0.5
0.003
0.0003
吸水率
约25%
10.1.2木材的环境特性
近年来越来越多的研讨说明，作为一种自然资料，木材具有优秀的环境功用，在树木的生长、木材的加工和运用进程中对环境具有十分友好的特性。
为了应用木材，需求停止枯燥、切削、粘结等各种加工。
表10-3中列出了木材及其他资料加工进程中的一些环境特性数据。
可见与钢材、铝合金、混凝土及纸材相比，加工木材的进程中，特别是自然枯燥木材的矿物燃料消耗和二氧化碳排放量都是最小的。
随着对木材加工水平的添加，其能耗和二氧化碳排放量相应添加。
相对来说，三合板和硬质纤维板在加工进程中的能耗和二氧化碳排放量比混凝土加工要高，但也远远低于钢材和铝合金加工进程的环境影响。
木材是无机体，在生出息程中，少量的碳以固体形状贮藏在其外部，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，木材的生出息程对生态环境而言，起着调理温度的作用。
从成分上看，木材具有生物降解性，经加工运用后，其废弃物可经过自然生物进程停止降解，对环境无不良影响。
另外，废旧木材还可以作为二次资源，停止再循环应用。
最后，废弃的木材还可以停止燃烧处置，获取动力，且无固态废弃物遗留。
表10-3木材及其他资料的环境特性
资料
矿物燃料能耗
CO2排放量
MJ/kg
MJ/m3
kg/t
kg/m3
自然枯燥木材〔密度：
0.50g/cm3〕
1.5
750
30
15
人工枯燥木材〔密度：
2.8
1390
56
28
三合板〔密度：
0.55g/cm3〕
12.0
6000
218
120
硬质纤维板〔密度：
0.65g/cm3〕
20.0
10000
308
200
纸
26.0
18000
—
360
35.0
266000
700
5320
铝
435.0
1100000
8700
22000
纸钢筋混凝土
2.0
4800
50
下面简述木材的一些典型环境特性，如木材的再生性、固碳作用、调湿性，以及与人类有关的视觉特性和触觉特性等。
（1）再生性
作为环境维护的一个重要内容，废弃物的再生应用是提高资源应用率、增加污染物排放的有效途径。
与不可再生的矿产资源相比，木材的可再生性是矿产资源不可比拟的，契合人类社会可继续开展的战略设想。
明天，世界上作为可应用的木材资源已发作重要变化，人工林资源正在替代自然林资源。
从生物多样性和原资料资源的角度思索，人工林木材作为环境友好型资料的优势更大。
经过对人工林的种类、生长方式等定向培育，延长木材的成熟期，易于工业化应用，并可以在一定水平上完成永世应用。
所以，在某种意义上，木材是一种最早的、最规范的环境资料。
（2）固碳作用
从1860年到如今，大气中的二氧化碳浓度已由280×
10-6上升到353×
10-6，目前正以0.4%的速度继续增长。
据专家预测，到2050年以后大气中二氧化碳的浓度将会是如今的两倍。
以二氧化碳为主的温室气体累积发生的温室效应，将招致全球气候逐突变暖而引发一系列严重效果。
木材中的C，H，O，N等元素的来源各不相反，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。
早期的树木研讨就已说明，二氧化碳浓度的添加对植物有〝施肥效应〞，这十分有利于生物圈对大气中二氧化碳的吸收。
经过光协作用，每生长1t木材可吸收1.47t二氧化碳，发生1.07t氧气，将碳元素固定在树木中构成纤维资料。
这种固碳作用和造氧机能是其他资料所不能比拟的，对地球生物圈的生态平衡有着重要的作用。
（3）木材的调湿性
资料的调湿特性是指靠资料自身的吸湿或解吸作用，直接紧张环境的湿度变化，使湿度动摇在一定范围内。
调湿性是木材的共同功用之一，也是其普遍作为室内装饰资料和家具资料的优点所在，对人体安康和物品保管提供了一种环境调理作用。
判别资料的调湿性通常有两种方法：
一种方法是以水蒸气变化为基准判别不同资料的调湿性，另一种是以温度变化为基准判别不同资料的调湿性。
将这两种方法停止综合来判别常用居室装饰资料的调湿性，结果发现软质纤维板的调湿功用最好，实体木材、胶合板、刨花板、硬质纤维板、硅酸钙板、石膏板、石棉板的调湿功用也属优秀。
有些资料虽然基材的调湿功用良好，但假定外表用调湿性不好的资料处置，依然不能失掉很好的调湿功用。
如三聚氰胺贴面胶合板、印刷木纹胶合板、聚乙烯薄膜贴面石棉板等就是这方面的实例。
而玻璃、丙烯酸树脂板、橡胶、金属等属于调湿功用差的资料。
另外，资料的体积和厚度对其调湿性也有较大影响。
如0.3mm的木单板及0.6mm的窗帘布原本都是调湿功用良好的资料，但由于厚度太薄不能对过量水蒸气停止调理。
（4）木材的视觉特性
自古以来，木材就以它特有的质、纹、色、味等特性遭到人们的珍爱，有木材存在的空间会使人们在学习、任务和生活中感到温馨和温馨。
从木材与人类和环境有关的主要环境学特性上，我们可以看到木材是改善人类生活质量的重要资料，在寓居条件以致生活环境中起着重要的作用。
木材的视觉特性普通以木材的颜色、光泽、纹理、树节疤痕等来表示。
民意检验的结果说明，木材颜色给人以暖和厚重、沉静、素雅等觉得。
木材外表长纤维切断后表现出的有数个细胞凹槽，反射的光泽有着丝绸外表的视觉效果，其他资料的仿制品很难模拟。
纹理和节疤是自然构成的图案，给人以流利、井然、轻松、自若的觉得，充沛表达了外型规律中变化与一致的协调。
在树节疤痕的觉得上，东、西方各有不同。
西方人以为它有缺陷，想方法肃清材面上的树节；
西方人那么以为它有亲切、自然的觉得，有时设法寻觅有节的材面，以使其与颜色有一定的对比度，添加层次战争面感。
此外，生活环境中木材的运用量（木材率）对人的心思有直接的影响，木材率的上下与人的暖和感、稳静感和酣畅感有着亲密的关系。
（5）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发生抚慰值，使人在觉得上发生某种印象。
而这种印象往往是以一个综合的目的反映在人的大脑中，普通常以冷暖感、软硬感、促滑感这三种觉得特性综合评定。
与金属、玻璃、混凝土和石膏等资料相比，木材的冷暖感、软硬感、促滑感等触觉特性远远优于这些资料。
10.1.3木材改性和运用
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，因此木材具有其特有的各种功用。
以强度为例，木材的强度在纵向、切向、半径三个方向都不同。
纵向的紧缩强度是横向的数十倍。
此外，纵向的拉伸强度为钢铁的1/4-3/5，紧缩强度为混凝土的1.3-2.5倍。
但因木材具有空隙，所以木材的比重很小，仅是铁的1/20，混凝土的1/5，是一种轻质结构资料。
其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。
另外，年轮和木节具有特有的木纹和颜色，很美观。
此外，其成分外的羟基具有吸潮和脱潮性,从而具有调理室内湿度的功用。
由于木材具有可满足人类对寓居环境要求的各种特性，因此被普遍地用于房屋修建及其它许多方面。
另外，木材可以再消费，在消费进程中构成森林，对维护地球环境有重要作用。
为了应用木材，需求枯燥、切削、粘接等各种加工。
随着加工水平的添加，能耗也在添加，但同铁、铝等金属相比是极小的。
与混凝土相比，制造时消耗的能量相对大一些，但因木材是无机体，少量的碳以固体形状贮藏在其中，综合思索后就会知道木材排向大气中的碳的平衡数为负。
另外废木材可再应用或许说再生循环，同时还具有生物降解性，因此，即使废弃也很平安，最后，还可把它烧掉。
木材也有许多缺乏之处，如硬度强度不够高、易腐朽、变色等。
为了添加运用的牢靠性和防止其缺陷，通常要对木材停止加工改性后再运用。
改性方式包括全体改性、外表改性及纤细复合处置等。
木材作为资料运用，有一些缺乏之处。
比如，由于资源的干枯，难以失掉大直径的资料，也难以失掉功用动摇的资料；
硬度和强度等都不够高，因此牢靠性也是一个效果；
在不同的运用环境中，受水、微生物、热、光等作用而发作尺寸变化，还有腐朽、熄灭、变色、退步等效果。
为了添加牢靠性和改善缺陷，人们做了多种尝试，例如：
同分解高分子或无机物等其它资料复合化，加工成各种外形后再组合加工，制造迭层木、三合板、硬质纤维板、木屑纤维板等各种木质资料，同时也可用各种防腐、阻燃剂停止处置以改善其功用。
但仅仅这些还不够，还要求具有更高的功用和耐久性。
1、体改性
木材的全体改性可用于各种功用和各种用途。
目前，全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停止外形修饰、外形加工、组合等，如制成叠层木、三合板、复合板等；
化学改性包括浸渍处置、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。
1WPC-WPC〔木材-塑料契合体〕是将具有聚合性的单体类或低聚体类注入木材空隙中，经过聚合反响使其硬化聚合构成高分子树脂而制得。
单体类是经过减压将木材内的空气排出后注入的，之后也可停止加压处置。
聚合是应用放射性照射或许预先添加催化剂后再停止加热的方法。
由于木材中生成了稳固的树脂，因此硬度和强度可提高好几倍，同时，耐磨性也提高了。
由于树脂的掩盖而显示出共同的外表光泽，不易污损，不易损坏，着色后颜色也很美丽。
假设应用亲水性的单体类，或许预先停止化学修饰导入疏水性的官能团，之后再停止WPC化，那么细胞壁中也填充了树脂，从而可以改善吸湿性和尺寸动摇性。
2WIC-WIC〔木材-无机物质复合体〕是经过阳离子〔如钡离子〕和阴离子〔如磷酸二氢根离子〕交替分散浸透到木材空隙中发作无机反响，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、腐朽真菌丝体的生长和白蚁的侵食等，可取得良好的阻燃性、抗腐蚀性及抗蚁性。
同时由于木材中含有硬的无机物质，硬度也可失掉提高。
3化学修饰其经过细胞壁中各组成局部的羟基与试剂反响，改动木材的化学结构。
依据反响机理的不同，有酯化，缩醛化，醚化等处置方法。
酯化是使木材中羟基与酸酐或酰基氯反响的一种方法；
缩醛化是应用酸性催化剂使羟基与醛发作反响；
醚化那么是应用碱性催化剂使羟基与氯代烷或环氧化物发作反响。
由于这些处置都是将亲水性的羟基用体积大的疏水性官能团置换而成，所以处置后木材的吸湿性，尺寸动摇性等都有所改善。
此外，由于木材的化学结构改动了，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才干。
但是，与WPC等处置不同，化学修饰法因不向空隙中填充任何东西，强度简直没有什么变化，但弹性模量往往会有所提高。
2、改性
木材的外表改性是传统的方法，包括涂层维护、装饰处置等。
最复杂的外表改性方法是外表压实处置，主要应用木材在水和热的作用下变软的特性，将水浸透到外表一定深度，应用力学原理，用热压的方法将外表压实，然后对其停止树脂处置、化学修饰、热处置等，使压实的外表固定上去，从而使木材外表的密度和硬度等运用功用失掉提高。
还有一种非电解镀膜外表处置方法，将木材外表浸入金属离子和恢复剂的混合水溶液中停止镀膜，使木材外表失掉一种金属的光泽，具有装饰性，同时也提高抗细菌腐蚀和抗紫外线照射的耐久性。
这种处置通常用于初级木材的外表处置，如汽车内箱仪表板等。
用等离子体对木材外表停止处置是一种新的木材外表改性技术。
该方法是在真空下经过放电发生等离子体，使某些气体分子在木材外表停止化学结合的一种方法。
等离子体外表改性有许多优点，如可以很快地改动外表组成而不影响其外部全体的性质，特别是机械强度、介电性等。
还可以经过调整各种工艺参数，如气体成分、压力、功率、时间等，选择最正确处置条件，在木材外表引入各种官能团，进一步提高木材的运用功用，并改善其装饰功用。
3、微复合处置
木材外表纤细复合处置是在分子水平上的处置技术，目前尚属新课题。
复杂地说，纤细复合处置是使木材外表各个层次都构成具有过渡性的界面，在此基础上既坚持木材原有的温馨性和环境协调性，又发明出具有优秀功用和高耐久性的复合资料。
目前有关木材纤细复合处置的研讨主要是木材在多成分系统界面上的亲和性、相容性及组分间相互作用等，说明各个层次中的界面现象及界面结构，了解化学反响进程及机理，以及评价木材经纤细复合处置后的功用改良等。
木材的高功用化和高耐久化，使得木材中添加固定碳含量，临时固定碳分并进而扩展木材的用途，这既有利于森林资源的有效应用和维护，也有助于增加二氧化碳，使木材所具有的环境资料性质失掉了进一步的强化。
10.1.4.木材深加工和运用
除全体改性运用外，对木材停止深加工处置，开拓木材的运用范围，是近年来木材运用的一个研讨热点。
表10-4罗列了一些罕见的木材深加工产品的加工工艺及其特点。
表10-4罕见的木材深加工工艺及特点
类别
加工工艺
功用特点和运用
木材树脂
〔1〕化学注入酚醛树脂
〔2〕细粉纤维热压处置→激光照射
〔1〕外表构成薄层碳纤维，提高运用功用及装饰功用，特别是树节处的力学功用；
〔2〕熄灭后只剩下CO2和H2O
木材陶瓷
树脂浸渍高温真空烧结
〔1〕构成碳化木纤维、碳化酚醛树脂的各种结构；
〔2〕外表吸附碳：
172kg/m3；
〔3〕力学功用均高于木材，且各向异性；
〔4〕耐磨，替代现有的汽车摩擦垫
树皮吸油垫
树皮粉碎→与聚酯纤维混合→压制→热处置→成形
重油吸收率：
3g/g；
吸水率：
0.01g/g；
拉伸强度：
23N/cm2
柏醇
提炼
〔1〕食品添加剂；
〔2〕无毒有害抗菌剂；
〔3〕用于农产品、海产品、畜产品
木材树脂与前面引见的木材—高分子复合资料相似。
经过与高分子树脂复合，经高温或外表激光处置，在外表构成一层薄的碳纤维结构，可清楚提高木材的运用功用及装饰功用，特别是树节处的力学功用。
这种资料运用后的废弃物可经过熄灭处置，发生能量，熄灭后只剩CO2，H2O，无固体废弃物残留。
木材陶瓷的制备是将木材经树脂浸渍后，放入炉中停止高温真空烧结处置，结果外表构成碳化木纤维及碳化酚醛树脂的各种结构。
木材陶瓷外表活性较高，吸附才干较强，如外表吸附碳的才干可达172kg/m3。
作为结构资料，木材陶瓷的力学功用平均高于木材，且各向异性。
特别是耐磨功用优秀，可用作汽车摩擦垫及其他耐磨部件。
其他的木材深加工应用包括应用树皮制备吸油垫，从植物中提炼柏醇，从树叶中提炼香精油及其他食品添加剂和医药生物制剂等。
10.2仿生物资料
仿生物资料是未来资料迷信与工程开展的最重要方向之一，其基本缘由就在于仿生物资料在生物兼容性的基础上，从资料制备到运用都与环境、人体有着自然的协调性。
从资料的生物兼容性角度思索，仿生物资料与环境资料有着不可联系的联络。
人工制造的具有生物功用、生物活性，或与生物体相容的资料称为仿生物资料。
目前的仿生物资料主要包括两类：
一类是自然生物资料，即经过由自然生物进程构成的资料，如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等；
另一类是指天然的生物医用资料，包括一些天然器官、人体植入资料、组织工程资料等。
如图10-1所示，仿生物资料的环境功用主要表达在生物相容性及环境协调性等两个方面。
仿生物资料的环境协调性主要表达在资料的成分设计及制备工艺等方面。
首先，在成分设计上要使得资料在运用进程中满足生物兼容性的要求，故思索资料成分时，至少在与生物体接触的资料外表成分的设计中，要让生物体对资料有一种可接受性，从而使仿生物资料的外表与环境有一种相容性。
思索到仿生物资料的用途，在制备工艺方面，普通多采用与环境、生物友好的方式。
如某些天然器官、人工分解基因蛋白、生物陶瓷复合资料等资料及产品的制备大都是模拟自然分解进程，自动表达了仿生物资料的环境协调性。
图10-1仿生物资料的环境功用表示图
评价资料的生物相容性普通有两个目的，一个是宿主反响，另一个是资料反响，详细内容见表10-5。
表10-5评价资料生物相容性的有关目的
宿主反响
顺应性反响
全身反响
局部反响
血液反响
资料反响
腐蚀
吸收
降解
磨损
收缩
浸析
宿主反响指将资料植入生物体后，资料自身对生物活体的作用。
包括资料植入部位的临近组织对资料的局部反响，以及远离资料植入部位的组织和器官，乃至整个活体系统对资料的全身反响。
宿主反响是由于构成资料的元素、分子或其他降解产物（微粒、碎片等）在生物环境作用下，被释放进入临近组织甚至整个活体系统而形成的，或来源于资料制品对组织的机械、电化学或其他抚慰作用。
能够发作的宿主反响包括局部反响、全身毒性反响、过敏反响、致突、致畸、致癌反响和顺应性反响。
按程期又可分为近期反响和远期反响。
宿主反响能够是消极的反响，如细胞毒性、溶血、凝血、抚慰性、全身毒性、致敏、致癌、诱变性、致畸以及免疫等反响，其结果能够招致对组织和机体的毒反作用和机体对资料的排挤作用；
宿主反响也能够是积极的反响，如新血管内膜在人工动脉外表熟长、韧带假体对软组织的附着、组织长入多孔资料的孔隙以及硬组织依托植入体重建等，其结果有利于组织的生长和重建。
资料反响指将资料运用于生物体中，生物活体环境对资料的各种作用，包括资料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、收缩和浸析等失效作用。
腐蚀主要是体液对资料的化学腐蚀作用，特别关于金属植入体有较大的影响；
吸收作用可改动资料的功用特性，如使资料的弹性模量降低，屈服应力增高；
降解可使资料的理化性质退变，甚至解体而失效，对高分子和陶瓷资料影响较大；
资料失效还可以经过多种其他机制发生，如修复体部件之间的磨损，在应力作用下形成的固定修复体分裂等；
在生物体中，某些高分子资料中的低分子量成分，如增塑剂的滤析等，也可招致其力学性质的变化。
当然，生物系统对资料也能够发生积极作用，如新骨成分长入多孔陶瓷的孔隙可对其补强增韧等。
10.2.1生物资料的成分、结构和功用
自然生物资料的成分主要有四大类，结构蛋白质、结构多糖及生物软组织、生物复合纤维以及生物矿物等，见表10-6。
表10-6罕见自然生物资料的种类
类别
示例
结构蛋白质
角、蚕丝等
结构多糖及生物软组织
韧带、筋等
生物复合纤维
昆虫表皮、肌腱等
生物矿物
骨、牙、贝壳等
1、结构蛋白质
蛋白质是由假定干个氨基酸经过肽键连成的长链生物大分子，是细胞中最丰厚的生物分子。
其化学成分见表10-7，主要为碳、氢、氮、硫，以及大批的磷、铁、铜、锰、锌等。
蛋白质具有多种不同的生物功用，其中重要的一种就是结构功用，如植物的角、腱、韧带、蚕丝等，其主要成分都是结构蛋白质。
表10-7蛋白质的主要化学成分（质量分数）
成分
碳
氢
氮
硫
含量
50%-55%
20%-23%
5%-18%
0%-4%
以氨基酸为基本构成物质，结构蛋白质按成分和形貌可分红胶原、丝心蛋白、角蛋白、弹性蛋白、肌球与肌动蛋白、粘连蛋白等。
各种蛋白的结构也有许多差异，例如角蛋白，以含硫蛋白为其特征，可以具有α-螺旋、β-折叠片，或不规那么构象。
从资料的功用上看，这些蛋白的力学功用主要由其分子机理决议，而较少受其成分和形貌的制约。
由结构蛋白质构成的生物资料，在资料成形进程中，可经过三种途径组装成资料，简称结构蛋白质组装三定律，即生物体用基本相反的结构蛋白大分子，如纤维蛋白、胶原及多糖等结构出形貌和功用完全不同的资料系统，它们共同遵照下面三条定律：
①大分子结分解含有几个不同大小层次的组织
通常这些大分子结分解纤维状，这些纤维状自身又是用更小的亚纤维
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