天然环境材料.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第四讲 天然环境材料,第二节 木材,一、木材,1,、森林在陆地系统中的作用,森林是陆地生态系统的主体,森林是陆地上最复杂的生态系统,森林是陆地上储存生物量最高的生态系统,森林是陆地上保持生态平衡最有效的因素,自然界碳、氮循环的主要途径,表：各种森林带每公顷年碳固定量单位：吨,/,每公顷每年,森林种类,碳固定量,森林种类,碳固定量,热带雨林,9.90,温带落叶林,5.40,热带季节林,7.20,温带亚寒带林,3.60,温带常绿林,5.85,2,、木材在材料中的地位,森林每年为人类提供了约,23,亿立方米的木材,现在，全球木材年耗达,34-35,亿立方米，人均,0.67,立方米,/,年。,而且需求量日增,3,、木材及其制品的开发与利用,2.1,木材的结构和成分（见下表）,结构,成分,管胞,约,90,木质素（大分子苯基丙烷）,约,30,软组织,约,5,纤维素（直链多糖）,约,50,辐射状组织,约,3,半纤维素（单糖）,约,17,树脂管道,约,2,其它（灰分，萃取成分）,约,3,2.2,木材的使用性能,钢材,水泥,木材,密度,g/cm3,7.9,1.8,0.5,纵向拉伸强度,1,0.25,0.6,压缩强度,1,1.3,2.5,导热性,W/cm,0.5,0.003,0.0003,吸水率,25,2.3,木材的环境性能,材料,矿物燃料能耗,二氧化碳排放量,MJ/kg,MJ/m3,Kg/t,Kg/m3,自然干燥木材,1.5,750,30,15,人工干燥木材,2.8,1390,56,28,三合板,12.0,6000,218,120,硬质纤维板,20.0,10000,308,200,纸,26.0,18000,360,钢材,35.0,266000,700,5320,铝,435.0,1100000,8700,22000,钢筋混凝土,2.0,4800,50,120返回二十八页,2.4,木材的改性及应用,整体改性,表面改性,细微复合处理,木材的整体改性,物理改性,层积复合技术,木质复合材料,所谓层积复合是指由一定形状的板材，经过,纵横叠压,并配以精制的树脂胶粘合，经高温高压处理而制备木质复合结构材料的技术,这是一种机械改性的方法，也是目前国内最常用的木材整体改性的方法。,二十世纪七八十年代，美国化学家,Rowell,提出,定义：通过简单的化学反应改变木材细胞壁的聚合物的性质，从而提高木材的使用性能,后人一般将细胞空隙化学填充也纳入化学改性的范围,化学改性,研究热点之一,木材化学改性示意图,木材酯化,木材乙酰化,木材羟基与乙酰化试剂之间发生酯化反应,氯乙酰化,乙烯酮法,硫代醋酸法,乙酸酐法,氯乙酰化基本反应式：,乙烯酮法反应式：,硫代醋酸法反应式：,乙酸酐法反应式：,Rowell,醋酸酐乙酰化新工艺：,木材乙酰化前后的性能变化：,其它酯化反应,酯化剂除了乙酸酐和氯乙酰等乙酰化剂外，其它含,3,6,个碳原子的脂肪酸酐,和,含,6,18,个碳原子的酰氯,也可作为酯化剂。,木材醚化,醚化剂：,丙稀氰,氯甲基苯等,木材塑化,所谓塑化是指以,聚合物单体或者与木材具有聚合能力的低聚物,为原料，通过预浸渍或减压注入等方法，使其渗入木材细胞孔隙和细胞腔之中，然后利用辐射交联等方式,诱发聚合反应,，使纤维素与注入聚合物单体交联固化而形成网状结构的高分子树脂。,木材陶瓷化,在木材细胞腔内交替扩散进阴离子和阳离子，并使这些离子在木材内部形成无机不容物，干燥后即得到木质陶瓷。,木材的表面改性,表面压实、固化处理,化学镀膜,等离子处理,微细复合处理,分子水平上的处理技术,4,、木材及其制品的再生循环,木材制品的再生循环,5,、木材及其制品的环境协调性评价,5.1,木材及其制品的资源消耗,每年全世界可供利用的再生木材为,23,亿立方米,每年全世界消耗的木材为,34,35,亿立方米,5.2,木材及其制品的能源消耗,返回第八页,5.3,木材及其制品的环境污染,固体废弃物,水体污染,空气污染,木材工业的固体废弃物,LCA,实例：胶合板（日本）,评价目标确定：,中型胶合板生产工厂,产品规格：,6,12mm,胶合板,范围确定：,从原木砍伐到胶木板制造的整个过程,功能单元定义：,生产的,1m3,胶合板为功能单元,系统内部流程确定：,编目数据的收集与整理,包括能耗、资源消耗、气、液、固等三废排放物,所有废材全部焚烧，回收热能用于胶合板生产,资源消耗,基本数据：,制材过程废材率,18.9,胶合板制造过程废材率,10.1,由此计算得到生产,1m3,胶合板需要原木,1.524m3,，相应需要制成材,1.442m3,能源消耗：,制成材制造能源消耗和,CO2,排放表表（原木密度：,0.5t/m3,）,加工过程,能耗,(kcal/kg),CO2,排放量,(g,碳,/kg)砍伐、运输,143.340,6.0,剥皮,57.336,3.2,制成材,157.674,6.6,防腐处理,71.670,22.9,人工干燥,305.792,84.5,合计,735.812,123.2,制成材阶段直接使用能源,动力、燃料,使用能源,相应单位,kcal/t,电力（,kWh,）,39.0,87750.0,汽油（,L,）,3.2,26880.0,轻柴油（,L,）,5.5,50986.0,重柴油（,L,）,0.4,4312.0,其它油类（,L,）,0.4,4212.0,总计,174152.0,胶合板单耗表（,废热利用率,62.6,）,三废排放物,固体废弃物,废料,液体废弃物,很少，不考虑,气体废弃物,SO2,、,CO2,、,NOx,等，甲醛由于数据不够，没有考虑,环境影响评价,胶合板制造过程,原木,砍伐,原木,输送,制成,材,胶合板,制造,产品,输送,废材,焚烧,制造过程总计,运输,总计,胶合板总计,能耗比例,19.49,5.67,6.56,67.47,1.55,0.00,92.77,7.23,100.0,CO2,排放比例,2.72,1.12,1.68,58.79,0.31,34.38,98.56,1.44,100.0,SO2,排放比例,1.93,1.49,2.24,86.79,0.61,6.93,97.80,1.02,100.0,NOx,排放比例,1.71,0.79,1.11,46.76,0.23,49.39,98.88,1.02,100.0,固体废弃物排放比例,1.07,0.67,0.89,85.46,0.18,11.72,99.14,0.86,100.0,环境结果解释,能源消耗,污染物排放,建议,6,、其它天然资源,石材,竹材,等等,二、天然高分子,“,新高分子化学,”体系,环境材料研究热点之一,纤维素（,cellulose,）,淀粉（,farina,）,1,、纤维素,1.1,、纤维素的分子结构和反应活性,1.2,、纤维素的改性：,P255,衍生化改性,研究热点：,取代分布控制,区域选择衍生物,接枝改性,利用光敏剂引发接枝聚合,氧化还原系统引发接枝聚合,引发剂：过氧化氢亚铁离子,引发剂：过硫酸盐,4.,其它天然高分子,蛋白质,天然漆,杜仲胶,下一讲（仿生材料）讨论题：,1.,仿生材料既然已具备与生物的相容性，为什么还要考虑其环境性能,2.,大多数天然生物矿石材料的成分都很简单，但其结构性能又很优异。人工材料成分往往复杂的多，其性能则比天然材料要差的多。试讨论为什么人工材料在目前还不能达到天然材料的这些性能？,3,、羟基磷灰石是目前研究最多的生物陶瓷材料，试比较羟基磷灰石的各种制备工艺的优缺点。讨论如何才能获得具有完全生物特性的人造羟基磷灰石？,