第十章环境材料分类

1第十章环境材料分类从与生物循环系统的关系考虑，我们可将材料分为两大类，即能利用自然循环的材料和不能利用自然循环的材料。对不能利用自然循环系统的材料来说，必须要由人类来全面关照。为此，需要极力降低其使用量，并希望从废弃到再生的过程中尽可能使之处于不活泼状态。而对于在自然界中可以循环的材料来说，应尽可能地利用其循环系统，而且更应该考虑，人类应在何种程度上来管理其自然的变换功能。在人类圈中建立符合自然规律的物质循环系统的战略方针应该遵循如下两条原则：1）尽可能使用在自然界中可循环的材料，并将自然的循环应用到其废弃和生产过程中。为此，需要熟知自然循环系统的性质，并根据具体情况以自然循环为模型设计人类圈的物质循环。2）尽可能少地使用在自然界中不可循环的材料。对于那些非用不可的材料，应事先设计一个再生循环系统。在材料的废弃和再生的过程中，严格控制数量，并使其处于不活泼状态。10.1木材及其改性10.1.1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。其大致结构及成分如表10-1所示。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、半纤维素和木质素组成。表10-1木材的结构和成分木材是森林的主产品，是一种可以永续利用的再生资源，除了可以做建筑、家具、乐器、电杆、枕木、桥梁外，还可制成各种多功能的人造板。木材的易胀缩、易腐朽、易蛀蚀、易燃等缺陷，可以通过改性、防腐、防虫、阻燃等处理，提高其利用价值。不同的树种其细胞构成也各式各样，以针叶树为例，它有保持树体和输导水分两种功能的管胞，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%，保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%。这些细胞的内孔部分称为永久空隙，木材由于湿润或干燥而膨胀或收缩，但永久空隙的大小几乎不发生变化。细胞壁中也存在湿润时出现、干燥时消失的微空隙，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，从外向里分别是细胞间层，次生壁的外层、中层、内层等。各壁层由纤维素形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%树脂道管约2%其他（灰分、萃取成分）约3%2螺旋状排列，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类似，纤维素相当于钢筋，木质素相当于混凝土，半纤维素则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形成的多糖类，半纤维素则是各种单糖大量结合形成的多糖类。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，以各种方式结合成的巨大高分子，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，一般含纤维素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，当试剂与木材反应时，它即成为反应的活化点。在纤维素和半纤维素各种组成的单糖中含有二、三个羟基，木质素中则为具有醇和苯酚两种不同性质的羟基。这些羟基的反应特性不仅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部分性能比较。可见木材的密度较小，大约只有钢材的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备的特点，作为室内结构和装饰材料有明显的优势。表10-2木材与钢和水泥的部分性能比较钢材水泥木材密度/g/cm3约8约1.8约0.4比强度、纵向拉伸11/4比强度、压缩12.5导热性/W/(cm·℃)0.50.0030.0003吸水率约25%10.1.2木材的环境特性近年来越来越多的研究表明，作为一种天然材料，木材具有优异的环境性能，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。为了利用木材，需要进行干燥、切削、粘结等各种加工。表10-3中列出了木材及其他材料加工过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，加工木材的过程中，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。随着对木材加工程度的增加，其能耗和二氧化碳排放量相应增加。相对来说，三合板和硬质纤维板在加工过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过程的环境影响。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。另外，废旧木材还可以作为二次资源，进行再循环利用。最后，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。表10-3木材及其他材料的环境特性材料矿物燃料能耗CO2排放量3MJ/kgMJ/m3kg/tkg/m3自然干燥木材（密度：0.50g/cm3）1.57503015人工干燥木材（密度：0.50g/cm3）2.813905628三合板（密度：0.55g/cm3）12.06000218120硬质纤维板（密度：0.65g/cm3）20.010000308200纸26.018000—360钢材35.02660007005320铝435.01100000870022000纸钢筋混凝土2.0480050120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)再生性作为环境保护的一个重要内容，废弃物的再生利用是提高资源利用率、减少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，符合人类社会可持续发展的战略构想。今天，世界上作为可利用的木材资源已发生重要变化，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。(2)固碳作用从1860年到现在，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现在的两倍。以二氧化碳为主的温室气体累积产生的温室效应，将导致全球气候逐渐变暖而引发一系列严重问题。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，对地球生物圈的生态平衡有着重要的作用。(3)木材的调湿性材料的调湿特性是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。判断材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断不同材料的调湿性，另一种是以温度变化为基准判断不同材料的调湿性。将这两种方法进行综合来判断常用居室装饰材料的调湿性，结果发现软质纤维板的调湿性能最好，实体木材、胶合板、刨花板、硬质纤维板、硅酸钙板、石膏板、石棉板的调湿性能也属优良。有些材料虽然基材的调湿性能良好，但若表面用调湿性不好的材料处理，仍然不能得到很好的调湿性能。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、金属等属于调湿性能差的材料。另外，材料的体积和厚度对其调湿性也有4较大影响。如0.3mm的木单板及0.6mm的窗帘布原本都是调湿性能良好的材料，但由于厚度太薄不能对过量水蒸气进行调节。(4)木材的视觉特性自古以来，木材就以它特有的质、纹、色、味等特性受到人们的珍爱，有木材存在的空间会使人们在学习、工作和生活中感到舒适和温馨。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材料，在居住条件以至生活环境中起着重要的作用。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。民意测验的结果表明，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。此外，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。(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。10.1.3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。此外，纵向的拉伸强度为钢铁的1/4-3/5，压缩强度为混凝土的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，是一种轻质结构材料。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色调，很美观。此外，其成分内的羟基具有吸潮和脱潮性,从而具有调节室内湿度的功能。由于木材具有可满足人类对居住环境要求的各种特性，因而被广泛地用于房屋建筑及其它许多方面。另外，木材可以再生产，在生产过程中形成森林，对保护地球环境有重要作用。为了利用木材，需要干燥、切削、粘接等各种加工。随着加工程度的增加，能耗也在增加，但同铁、铝等金属相比是极小的。与混凝土相比，制造时耗费的能量相对大一些，但因木材是有机体，大量的碳以固体形态储藏在其中，综合考虑后就会知道木材排向大气中的碳的平衡数为负。另外废木材可再利用或者说再生循环，同时还具有生物降解性，因此，即使废弃也很安全，最后，还可把它烧掉。木材也有许多不足之处，如硬度强度不够高、易腐朽、变色等。为了增加使用的可靠性和避免其缺点，通常要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。木材作为材料使用，有一些不足之处。比如，由于资源的枯竭，难以得到大直径的材料，也难以得到性能稳定的材料；5硬度和强度等都不够高，因而可靠性也是一个问题；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，还有腐朽、燃烧、变色、退化等问题。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