發(fā)布時間：2020-03-27 18:18

【摘要】：木材具有可再生、質(zhì)輕、環(huán)境友好等特性。然而由于蓬松、強度低、不透明、不導(dǎo)電等固有性質(zhì),限制了更多的功能化應(yīng)用。因此,通過研究新技術(shù)、新方法來克服木材本身固有的缺陷,從而使其獲得高附加值利用,具有重要的意義。本論文以天然木材為原料,充分利用木材天然而獨特的組成成分和微觀構(gòu)造,探索設(shè)計了多種不同功能的木材基功能材料。主要實驗內(nèi)容如下:利用木材天然而獨特的宏觀和微觀構(gòu)造,制備了兩種各向異性的透明木材復(fù)合材料(R-透明木材和L-透明木材)。結(jié)果表明,無論是R-透明木材還是L-透明木材,其天然的纖維素結(jié)構(gòu)都被完好的保留,而帶有顏色的木素被脫除,由于細胞腔結(jié)構(gòu)中填滿了聚合物,使得兩種材料具有極高的透明度,其中R-透明木材的透明度更是高達90%,高于L-透明木材的透明度。另外,在400 nm到800 nm的可見波長范圍內(nèi),兩種透明木材的光學(xué)霧度都很大,R-透明木材的霧度高于L-透明木材。兩種透明木材的機械性能也有顯著差異,L-透明木材的斷裂強度和模量約為R-透明木材相應(yīng)值的2倍。通過往木材細胞腔中浸注熔融的金屬,制備了一種各向異性的金屬-木材復(fù)合功能材料。結(jié)果表明,金屬-木材復(fù)合材料具有高度各向異性的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。在金屬陣列的平行和垂直方向上的導(dǎo)電率分別為5.4×10~4 S/m(σ_(//))和4.8×10~(-7) S/m(σ_⊥),賦予了該新型材料優(yōu)異的各向異性電導(dǎo)系數(shù)(σ_(//)/σ_⊥≈1.12×10~(11))。同時,該材料在金屬陣列的水平方向和垂直方向也擁有各向異性的導(dǎo)熱性,其熱導(dǎo)率分別為5.23 W/m·K(κ_(//))和0.29 W/m·K(κ_⊥),各向異性系數(shù)為18。因此,該新型材料的各向異性系數(shù)遠大于目前很多材料和聚合物。此外,與天然木材相比,金屬-木材復(fù)合材料表現(xiàn)出更強的機械性能。通過一種簡單高效的“自上而下”一步化學(xué)處理方法,制備了一種具有超級柔軟性、生物可降解性和生物相容性的超柔木材。通過研究其結(jié)構(gòu)和組成的變化,闡述了其超級柔性的作用機制。結(jié)果表明,超柔木材薄膜具有更好的機械性能,相比原始木材增加了約7倍。同時,木材薄膜的楊氏模量由134 MPa降到116 MPa,而其伸長率從0.4%提高到4.6%,這說明處理后木材變得更加柔軟且具有更好的延展性。此外,超柔木材在經(jīng)歷1000次彎曲循環(huán)后,仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。天然木材的曲率為0.195 mm~(-1),而超柔木材的曲率為16.7 mm~(-1)。由于超柔木材具有的良好生物相容性和獨特的三維多孔結(jié)構(gòu),可以提供足夠的空間供細胞生長,使其成為一種非常有前景的用于組織工程的3D生物支架材料。受樹木水分蒸騰作用的啟發(fā),利用木材獨特的天然多孔結(jié)構(gòu)和相互連接的通道結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種新型碳納米管修飾的柔性木材膜(F-Wood/CNTs)作為太陽能蒸汽發(fā)生裝置。結(jié)果表明,在可見光和紅外區(qū)域,F-Wood/CNTs膜具有極低的透光率(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)光照強度下,F-Wood/CNTs膜的熱轉(zhuǎn)化效率高達81%,純水蒸發(fā)速率可達11.22 kg·m~(-2)·h~(-1)。通過從上到下的合成工藝,開發(fā)了一種簡單而有效的化學(xué)方法處理天然輕木來制備層狀結(jié)構(gòu)的各向異性木氣凝膠。結(jié)果表明,層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各向異性木氣凝膠具有良好的機械壓縮性和抗脆性,可逆壓縮形變高達60%。在40%的形變下,經(jīng)過10000次壓縮循環(huán)后,木氣凝膠的應(yīng)力保持率約為90%,這顯示出木氣凝膠良好的耐脆性和塑性形變。此外,木氣凝膠在縱向和橫向的熱導(dǎo)率值分別為0.028 W/m·K和0.12 W/m·K,兩者都分別低于天然木材的0.1 W/m·K和0.15 W/m·K,說明相比于木材,木氣凝膠可以作為良好的絕緣材料應(yīng)用于隔熱材料領(lǐng)域。這些先進功能材料的設(shè)計和構(gòu)建,為天然木材資源的高附加值利用提供了理論和技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

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本文編號：2603209