原位共沉淀法制備磁性木材及研究

孫晉強　陸弘毅　李星　鄒璟　蔡家斌　婁志超

摘 要：以FeCl2/ FeCl3溶液和氨水對楊木單板進行分別浸漬，通過共沉淀法在楊木內(nèi)部原位合成四氧化三鐵納米顆粒，制備磁性木材。運用掃描電鏡對磁性顆粒在磁性木材內(nèi)部的含量和分布情況進行研究，同時利用comsol程序?qū)}溶液向木材內(nèi)部的滲透過程進行了模擬研究。結(jié)果表明：鹽溶液主要通過徑向（導(dǎo)管）和橫向（具緣紋孔）兩種途徑滲透入木材內(nèi)部，由于滲透速率的不同，使得木材中磁性粒子的數(shù)量與木材浸泡的時間呈正相關(guān)，且鐵鹽浸泡6 d后得到的樣品磁化強度最高，達到0.08 emu/g。

關(guān)鍵詞：磁性材料 復(fù)合木材 制備 原位反應(yīng) 功能材料

中圖分類號：TQ46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0185-05

隨著科技水平的提高，人們的日常生活中已離不開電子產(chǎn)品，隨之產(chǎn)生的電磁輻射和電磁干擾也越來越大，給人們的日常生活和電子器件造成了不可避免的損害。因此，電磁波屏蔽材料逐漸成為研究熱點[1-3]。在過去的幾年中，磁性吸波材料得到廣泛研究。其中，四氧化三鐵（Fe3O4）作為一種同時具有介電損耗（magnetic loss）和磁損耗（dielectric loss）的典型磁介電材料，由于其高電阻率和低成本的特點，逐漸成為一種極具吸引力的電磁波吸收材料[4-5]。而木材作為一種環(huán)境友好型材料，其具有高強重比、令人親近的顏色花紋以及易于加工成型等優(yōu)點。將其與磁性材料相結(jié)合，制備磁性木材復(fù)合材料，生產(chǎn)出便于日常使用的電磁屏蔽材料（如家裝、家具以及電子設(shè)備外殼等），已經(jīng)成為目前電磁屏蔽材料的重要研究方向。

1992年，H.Oka等人首次發(fā)表了磁性木材制備方法的專利[6]。目前比較常用的磁性木材制備方法主要有3種：浸透法、粉體法[8]和涂布法[8]。這些方法都需要事先制備磁流體，且前期工藝復(fù)雜，多涉及高溫、高壓等苛刻的制備條件，成本較高，且具有不確定性。另外，由于受到磁流體中磁性顆粒尺寸以及木材本身結(jié)構(gòu)的影響，很難實現(xiàn)在成品中磁性顆粒的均勻分布。而粉體法還會破壞木材原有的紋理結(jié)構(gòu)并影響其力學(xué)性能。這些缺點都限制了磁性木材在實際生活中的應(yīng)用。

該文利用鹽溶液相較于磁性顆粒更容易滲透入木材體內(nèi)部的優(yōu)點，先將楊木浸泡于FeCl2/FeCl3的混合溶液中，然后在堿性環(huán)境下使?jié)B透在木材內(nèi)部的鐵離子發(fā)生共沉淀反應(yīng)，從而在木材內(nèi)部生成磁性粒子，得到磁性木材。同時，運用comsol軟件分析了浸漬過程中鹽離子進入木材的動力學(xué)過程，研究浸漬時間對磁性木材中磁性顆粒的分布情況以及由此產(chǎn)生的對其磁性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

楊木（Populus spp.）板材：取自于安徽阜陽，初始含水率10%以下。FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O 和 NH3·H2O 均購買于Sigma-Aldrich公司。

1.2 磁性木材的制備

磁性木材的制備流程如圖1所示，具體如下。

（1）楊木單板的預(yù)處理。

將楊木單板加工成80 mm×80 mm×3 mm，經(jīng)超聲波清洗器清洗后放入干燥箱中干燥過夜。

（2）用FeCl2/FeCl3溶液浸泡單板。

以每升水溶解FeCl3·6H2O 120.00 g，F(xiàn)eCl2·4H2O 44.14 g的比例配制鐵鹽溶液，將楊木塊分別浸漬在溶液中1 d、3 d和6 d。之后，分別取出并在流動水源下沖洗掉表面殘留的溶液，然后在75 ℃真空干燥箱中干燥1 d。

（3）氨水處理單板。

將干燥過的木板置于25%的氨水中浸漬1天，并再次在流動水源下沖洗，以去除表面殘留的氨水溶液，然后在75 ℃真空干燥箱中干燥1 d。

1.3 磁性木材表征及性能測試

環(huán)境掃描電子顯微鏡分析：使用切片機（REM-710，Yamato）對楊木試樣切片（厚5μm），使用環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quanta 200，荷蘭FEI公司）對切片表面進行形貌觀察，放大倍數(shù)分別為20 000倍和40 000倍，并使用EDS mapping模式分析木材切面表面元素分布。

振動樣品磁強計（Vibrating Sample Magnetometer， VSM）分析：使用美國East Changing Technologies公司的Lake Shore 7404振動樣品磁強計對真空干燥處理后的木材粉末磁性樣品（80 mg）進行磁性測量。

1.4 comsol模擬

（1）模型建立。

對木材進行建模，設(shè)置木材厚度為3 mm，長為40 mm，寬為40 mm模型（即將楊木試樣四等分，取1/4），如圖1所示。

（2）網(wǎng)格劃分。

采用特細的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

（3）控制方程。

考慮含四氧化三鐵的溶液為稀物質(zhì)，而木塊為多孔介質(zhì)，因此選取多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞方程，表達式如下。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸泡時間對飽和磁化強度的影響

圖3為鐵鹽浸漬不同時間得到的磁性木材樣品的磁滯回線圖。從圖3中可以看出，樣品的飽和磁化強度隨著鐵鹽浸漬時間的增加而增加，說明樣品的磁化強度與木材的浸泡時間呈正相關(guān)。而磁化強度與磁性粒子在磁性木材中的含量以及分布情況有關(guān)。

2.2 磁性木材中磁性顆粒的分布情況

圖4是樣品照片及掃描電鏡微觀形貌圖。a，b，c分別為鐵鹽浸漬1 d，3 d和6 d后制備得到的樣品。隨著浸泡時間的增加，木材的顏色逐漸加深。同時，通過掃描電鏡結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著浸泡時間的增加磁性木材中的磁性顆粒的量明顯增多，且更加均勻。這與樣品宏觀的表面顏色的變化趨勢相吻合，表明浸泡時間對木材中磁性粒子的含量是有影響的，適當延長浸泡時間有助于提高木材中的磁性粒子的含量。而磁性粒子含量的增加，是磁性木材磁性提高的主要原因（如圖3）。

從圖4中我們還可以發(fā)現(xiàn)，1 d樣中磁性粒子成團簇狀，主要分布在磁性木材中的具緣紋孔附近，這一現(xiàn)象表明，鐵鹽除了可以通過導(dǎo)管滲透進入木材體內(nèi)，還可以通過木材中的具緣紋孔進行滲透。為了進一步研究鐵鹽滲透進入木材的動力學(xué)過程，以及兩種滲透途徑在鐵鹽浸漬過程中發(fā)揮的作用，我們對其進行comsol動力學(xué)模擬分析。

2.3 comsol模擬分析

圖5～11是運用comsol軟件模擬得到的，鐵鹽溶液在木材體內(nèi)滲透的動力學(xué)過程圖。從圖中可以看出，隨著時間的增加，鐵鹽分別通過縱向（導(dǎo)管）和橫向（具緣紋孔）兩個方向滲透進入木材體內(nèi)。同時，鐵鹽的分布區(qū)域逐漸擴大，進入木材體內(nèi)的量也逐漸提高。另外，從圖中可以看出，其橫向和縱向的滲透速率有明顯的差異，這主要是由于木材本身的結(jié)構(gòu)特征決定的。研究發(fā)現(xiàn)，木材中具緣紋孔的滲透率要遠低于導(dǎo)管的滲透率。通過comsol的模擬圖像，還可以看出，浸泡時間對木材中鐵鹽的分布有影響，在適當范圍內(nèi)，延長浸泡的時間，鐵鹽的含量增多且分布趨于均勻。其最終生成的磁性顆粒也會隨之增加，分布趨于均勻，有利于磁性木材本身磁性的提高。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)該文中的方法可以制得具有一定磁性的磁性木材，并且其飽和磁化程度隨其在鹽溶液中處理的時間的增加而增強。

（2）磁性顆粒前驅(qū)體，鐵鹽在木材內(nèi)部的滲透通過橫向（具緣紋孔）和縱向（導(dǎo)管）兩種方式實現(xiàn)，前者的滲透效率低于后者。

參考文獻

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