陶 鑫，梁善慶，傅 峰

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091)

0 引 言

木材屬于熱的不良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)僅分布在0.10～0.12 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于鋁(236 W/(m·K))、銅(398 W/(m·K))等金屬材料，低于瓷磚(1.1 W/(m·K))、大理石(2.7 W/(m·K))等鋪地材料，傳熱性能不佳，不利于熱量的快速傳遞[1-2]。隨著功能型復(fù)合材料的研制成為材料科學(xué)的研究熱點，以功能化途徑改變了木材強度低、易燃易腐、不透明、絕緣等性質(zhì)，研究出如超強木材、阻燃木材、防腐木材、透明木材、導(dǎo)電木材等新型木質(zhì)功能復(fù)合材料。因此，通過功能化途徑提高木材導(dǎo)熱性能也已成為木質(zhì)功能材料研究的方向之一。

通過不同加工技術(shù)將木質(zhì)單元與導(dǎo)熱單元復(fù)合制備出導(dǎo)熱性能優(yōu)良的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料，其研究內(nèi)容豐富多樣且不斷發(fā)展，早期直接采用金屬浸注木材，而后采用如石墨、碳納米管、石墨烯等導(dǎo)熱碳基材料與木質(zhì)單元復(fù)合，近年來有關(guān)聚合物浸漬填充木質(zhì)碳骨架、高各向異性導(dǎo)熱木材、微波膨化木基金屬導(dǎo)熱木材等成為研究的新興方向，但仍多停留在實驗室階段，尚未形成工業(yè)化生產(chǎn)。若將木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料應(yīng)用于地采暖地板上則能提升傳熱效率，使得室內(nèi)空間在較短的時間內(nèi)達到采暖需求；若將木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料作為電子基板材料，則可充分利用木質(zhì)材料這一天然可再生資源，避免對不可再生金屬資源的開發(fā)，還具有質(zhì)輕、成本低、易獲取、易成型加工的優(yōu)點。

基于此，本文概述了木質(zhì)材料導(dǎo)熱性能的影響因素和理論模型，闡述了木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的傳熱增強機理，歸納了浸漬處理、重組復(fù)合和表面處理3種制備技術(shù)，展望了其未來研究的方向，旨在為木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究與應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 木質(zhì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能基本理論

1.1 木質(zhì)材料導(dǎo)熱性能影響因素

木材導(dǎo)熱性能主要受其含水率、多孔結(jié)構(gòu)及化學(xué)組分3種因素的影響并呈傳熱各向異性[3]。木材孔腔中存有水或空氣兩相物質(zhì)，其余致密部分以木纖維固體物質(zhì)為主。木纖維固體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.25～0.34 W/(m·K)，高于空氣(0.02 W/(m·K))，低于水(0.5 W/(m·K))。木材具有吸濕特性，當(dāng)木材含水率增加時，孔腔中的空氣體積被導(dǎo)熱系數(shù)較高的自由水替代，故而含水率越高的木材其導(dǎo)熱性能越佳。當(dāng)氣干木材的細(xì)胞孔腔中僅為空氣時，孔隙率越高即空氣占比越大，木纖維固體物質(zhì)所占的比例就越小，木材的導(dǎo)熱系數(shù)也越低。因此，通過將導(dǎo)熱單元填充于木材孔隙中以降低木材孔隙率，減少空氣所占空間，可以提升木質(zhì)材料的導(dǎo)熱性能。

木纖維固體物質(zhì)主要為細(xì)胞壁，其化學(xué)組分為纖維素、木質(zhì)素和半纖維素。木質(zhì)素與半纖維素的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.39和0.34 W/(m·K)，導(dǎo)熱性能呈各向同性。纖維素的導(dǎo)熱性能則呈各向異性，平行微纖絲方向時(順紋方向)導(dǎo)熱系數(shù)為1.04 W/(m·K)，垂直微纖絲方向時(橫紋方向)導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.26 W/(m·K)，這就使得熱量在木材不同方向上的傳遞能力也呈各向異性，同種木材順紋方向上的導(dǎo)熱系數(shù)一般是橫紋方向上導(dǎo)熱系數(shù)的1.8～3.5倍[4]。由于木質(zhì)素、半纖維素和纖維素中含有大量羥基，可以與導(dǎo)熱單元形成氫鍵聯(lián)結(jié)。此時，木質(zhì)單元作為基體或載體，在導(dǎo)熱單元的作用下制備形成的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料傳熱性能將大幅提升。

1.2 木質(zhì)材料導(dǎo)熱性能理論模型

為了模擬木質(zhì)材料傳熱能力與各影響因素之間的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者建立了多種熱傳導(dǎo)理論表達式。Suleiman[5]將木材簡化為由固、液、氣三相組成的多孔結(jié)構(gòu)，提出了木材導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙度之間的推算模型(公式1與2)。

順紋方向：λ∥=(1-φ)·λfiber∥+(λg+λrad)φ

(1)

(2)

公式(1)與(2)中，φ為孔隙度；λfiber∥為順紋方向細(xì)胞壁固體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，一般取0.766 W/(m·K)；λfiber⊥為橫紋方向細(xì)胞壁固體物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，一般取0.430 W/(m·K)；λg為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，干燥狀態(tài)下常取0.0258 W/(m·K)；λrad為輻射熱導(dǎo)率，一般可忽略不計。

計算機技術(shù)的發(fā)展使Avramidis[6]應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建了溫度、密度與含水率影響下木材導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型。國內(nèi)學(xué)者[7-8]建立了各向異性木材熱傳導(dǎo)偏微分方程，采用有限差分逆求法建立了木材導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率、溫度變化的矩陣方程。Sonderegger[9]建立了刨花板、纖維板的導(dǎo)熱系數(shù)與密度、板厚之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相同密度下板材的導(dǎo)熱系數(shù)隨著木質(zhì)單元粒徑尺寸的減小而降低，并建立了使用脲醛與酚醛膠黏劑的刨花板導(dǎo)熱系數(shù)與密度之間的推算公式(公式3與4)。

脲醛樹脂：

λu=0.016+0.14410-3ρ

(3)

酚醛樹脂：

λp=0.026+0.14010-3ρ

(4)

公式(3)與(4)中，ρ為刨花板密度(kg/m3)。

國內(nèi)學(xué)者基于無限大平板模型的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論，結(jié)合有限元軟件對中密度纖維板導(dǎo)熱性能進行了模擬與驗證[10]。通過浸漬樹脂并碳化、硅化后的木材陶瓷也是一種木質(zhì)復(fù)合材料，有學(xué)者在沿用熱阻概念的基礎(chǔ)上構(gòu)建了木材細(xì)胞尺寸與木材陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)間的關(guān)系式[11]。

1.3 木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的傳熱增強機理

1.3.1 傳熱介質(zhì)的增強

由于木材內(nèi)部含有極少數(shù)傳遞能量的自由電子，并且光子輻射傳導(dǎo)十分微弱，因而木材主要依靠聲子傳輸熱量。木材具有的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)包括微米級的導(dǎo)管、管胞、木纖維細(xì)胞腔、樹脂道以及納米級的細(xì)胞壁孔隙和微纖絲間隙，這些孔隙結(jié)構(gòu)中含有大量空氣使得聲子傳遞受阻，不利于熱量的直接傳遞[12]。然而，也正是由于豐富的孔隙結(jié)構(gòu)為導(dǎo)熱單元填充提供了空間。

木材高溫碳化可將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為導(dǎo)熱碳，以碳化木質(zhì)單元為基體浸漬填充導(dǎo)熱單元，傳熱介質(zhì)增強效果更為明顯。導(dǎo)熱單元通過浸漬的方式沉積附著在木材細(xì)胞壁表面，隨著導(dǎo)熱單元添加量的增加相互接觸，逐步構(gòu)建傳熱網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)熱單元填充木材孔腔，將空氣(弱傳熱介質(zhì))替換為導(dǎo)熱單元(強傳熱介質(zhì))，減少空氣對熱量傳遞的阻礙，并在木材內(nèi)部形成通直的傳熱網(wǎng)絡(luò)，從而增強木材整體的傳熱能力[13]。

1.3.2 界面熱阻的降低

界面熱阻用于表征不同材料接觸界面的傳熱狀態(tài)，對復(fù)合材料的傳熱性能具有影響[14]。木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料內(nèi)界面隨著木質(zhì)單元尺寸的減小而增多，界面的增多使得聲子傳輸過程中能量衰減嚴(yán)重，熱阻增大導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低[15]。木質(zhì)基體內(nèi)引入導(dǎo)熱單元形成結(jié)合良好且穩(wěn)定的相容界面，可以有效降低界面熱阻，提升材料的導(dǎo)熱性能[16]。

木材是一種復(fù)雜的非均質(zhì)天然高分子復(fù)合材料，主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素組成，其中纖維素分子鏈上的羥基可與其他官能團發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的相容界面[17]。如圖1a、b所示，導(dǎo)熱單元氮化鋁(AlN)可與纖維素(CNF)表面的羥基結(jié)合，形成有效且連續(xù)的傳熱網(wǎng)絡(luò)[18]。為了使形成的傳熱網(wǎng)絡(luò)更為緊密，對AlN表面硅烷處理使其表面的羥基與硅烷醇的羥基脫水縮合形成共價鍵結(jié)合(見圖1c)，硅烷處理后的AlN表面具有豐富的氨基或羥基，可與纖維素表面的羥基或羧基形成氫鍵結(jié)合，相容性更佳且更為穩(wěn)定，界面熱阻減小使其導(dǎo)熱性能更佳[19]。

1.3.3 表面導(dǎo)熱層的強化

“復(fù)合體系組合增強”是指高熱導(dǎo)率的增強單元對低導(dǎo)熱率基體的復(fù)合增強作用[20]。將具有高導(dǎo)熱性的涂層或鍍層與木質(zhì)單元復(fù)合，形成的表面導(dǎo)熱增強層遵循“復(fù)合體系組合增強”機理可強化木質(zhì)單元與外部環(huán)境的熱交換能力，整體的散熱效率提高。導(dǎo)熱涂層中，當(dāng)導(dǎo)熱單元添加量到達一定程度時，導(dǎo)熱單元間相互搭接形成傳熱網(wǎng)絡(luò)，能夠有效傳遞熱量。由于晶格缺陷和雜質(zhì)的存在，聲子導(dǎo)熱時會出現(xiàn)熱散射、缺陷散射和雜質(zhì)散射，因而傳熱能力弱于電子。導(dǎo)熱鍍層以沉積金屬為主，金屬中含有大量能夠傳遞熱量的自由電子，可使原先依靠聲子傳輸?shù)哪举|(zhì)復(fù)合材料形成電子與聲子的雙重傳導(dǎo)，從而提升導(dǎo)熱性能。

2 木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備技術(shù)

木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料主要由木質(zhì)單元和導(dǎo)熱單元組成，木質(zhì)單元有木質(zhì)單板、木刨花、木粉等；導(dǎo)熱單元有金屬(如鋁、銅、鎂、銀等)、金屬氧化物(如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅等)、碳基材料(如石墨、石墨烯、碳納米管等)、氮化物(如氮化鋁、氮化硼等)。為了讓木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料成形或賦予其他性能，還包括膠黏劑、偶聯(lián)劑或其他功能性助劑。

木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備主要有浸漬填充、重組復(fù)合、表面處理3種技術(shù)。不同技術(shù)與方法適用于不同結(jié)構(gòu)尺度的木質(zhì)單元，浸漬填充技術(shù)主要針對實木木材；膠黏劑在重組復(fù)合技術(shù)發(fā)揮著重要作用，熱壓成板方法適用于單板、刨花、木纖維等形態(tài)，熔融擠出法可用于木粉；化學(xué)電鍍法適用于多種尺度的木質(zhì)單元，涂飾則多用于成型板材。

2.1 浸漬處理

2.1.1 浸漬法

木材多尺度的孔隙結(jié)構(gòu)便于改性劑的附著與填充，可改變木材原有特性，實現(xiàn)高效增值。對木材進行脫除木質(zhì)素和漂白處理后，獲得松散的纖維素木材支架，再將質(zhì)輕、耐腐蝕、易制備的聚合物浸漬填充于纖維素木材支架中并進行原位碳化處理，制備的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)提升至0.56 W/(m·K)[21]。有研究者調(diào)整工藝[22]，先將纖維素木材支架高溫碳化以獲得具有完整導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的碳支架，再進行聚合物浸漬處理，導(dǎo)熱性能更佳。然而，碳化處理工藝帶來了生產(chǎn)成本的上升以及破壞了木材自身結(jié)構(gòu)，因此有研究將聚磷酸銨(APP)/多壁碳納米管(Multiwalled Carbon Nanotube，MWCNT)體系與環(huán)氧樹脂(Epoxy Resin，EP)超聲共混，制備出EP/MF―APP復(fù)合樹脂，其導(dǎo)熱系數(shù)相比于純環(huán)氧樹脂提升162 %。將EP/MF-APP樹脂作為導(dǎo)熱單元以真空減壓浸漬法制備出的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)達0.94 W/(m·K)，相較于未處理材提升683.3 %[23]。

木材的孔隙率、孔腔直徑對導(dǎo)熱單元的浸漬效果有著明顯的影響，孔徑大且孔隙率高的木材填充效果更好[24]。導(dǎo)熱單元進入木材細(xì)胞內(nèi)的位置，還受到浸漬工藝與導(dǎo)熱單元自身性質(zhì)等因素的影響。相比于常壓浸漬，真空環(huán)境下木材內(nèi)部氣體逸出，更有利于導(dǎo)熱單元的滲入擴散[25]。此外，利用低熔點合金(Low Melting Point Alloy，LMPA)浸漬木材時，較高的處理溫度能夠降低合金黏性，加快其流動與填充速度，因而浸漬效果更好(見圖2)。常壓下，將木材多次浸泡于MWCNT分散液中，MWCNT未注滿細(xì)胞腔，而是分布在細(xì)胞壁的內(nèi)壁及端面上(圖3a)，細(xì)胞壁表面附著的MWCNT間形成了良好網(wǎng)絡(luò)(圖3b)，成為熱量傳遞的路徑[26](圖3c)。

圖2 真空浸漬LMPA制備的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料SEM圖Fig 2 SEM image of wood-based thermal conductive composites prepared by vacuum impregnating LMPA

圖3 常壓浸漬MWCNT制備的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的SEM切面圖(a,b)；MWCNT附著于木材示意圖(c) [26]Fig 3 SEM images of wood-based thermal conductive composites prepared by impregnating MWCNT (a,b) and illustration of MWCNT-embedded wood (c)

2.1.2 微波膨化-浸漬法

一定含水率下的木材經(jīng)微波膨化處理后，其內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽壓力，使得細(xì)胞壁上的紋孔膜(圖4a)、復(fù)合胞間層(圖4b)、樹脂道(圖4c)等弱相結(jié)構(gòu)被破壞，在木材表面及內(nèi)部形成網(wǎng)狀三維縫隙，為導(dǎo)熱單元的填充提供了更多空間，使得熱量傳遞以高導(dǎo)熱合金的熱傳導(dǎo)為主，因而導(dǎo)熱系數(shù)提升更為明顯[27]。將木材真空浸漬于合金熔融液體中，導(dǎo)熱系數(shù)提升11.9倍，為0.57 W/(m·K)[28]；將低熔點合金溶液加壓浸漬于微波膨化處理材中，固化后的合金填充在木材的孔隙、裂縫中，形成“Vintorg-metal”的微波膨化木-金屬結(jié)構(gòu)[29]，導(dǎo)熱系數(shù)可達3.42 W/(m·K)，是未處理木材導(dǎo)熱系數(shù)的28.5倍[30]。值得注意的是，木材微波膨化處理應(yīng)結(jié)合自身含水率與密度來確定適宜的處理工藝，過高的微波能量密度可能會導(dǎo)致處理材難以滿足部分產(chǎn)品的力學(xué)性能要求。

圖4 高頻微波處理后樟子松掃描電鏡圖[31]Fig 4 SEM images of Pinus sylvestris after high frequency microwave treatment

2.2 重組復(fù)合

重組復(fù)合是將木質(zhì)材料加工成單板狀、刨花狀、纖維狀或顆粒狀的木質(zhì)單元并與導(dǎo)熱單元混合，在膠黏劑的作用下以一定溫度與壓力制備成型的技術(shù)，不僅可以提升木材導(dǎo)熱性能，還可以克服木材各向異性、幅面受限等弱點。

2.2.1 熱壓成板

熱壓成板是將導(dǎo)熱單元、膠黏劑與木質(zhì)單元共混，鋪裝成型后在一定溫度與壓力的作用下成板的技術(shù)。納米硅灰石的導(dǎo)熱系數(shù)為2.5 W/(m·K)，將其作為導(dǎo)熱單元添加在楊木纖維中，施以濃度10 %的脲醛樹脂膠黏劑(UF)，共混、鋪裝后在16 MPa、160 ℃的條件下熱壓7 min。納米硅灰石的氧化物成分與木纖維中的羥基、甲氧基鍵合，形成完整的傳熱網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)熱系數(shù)提升29%[32]。以纖維狀海泡石為導(dǎo)熱單元與固含量為62%的UF膠混合，經(jīng)磁力攪拌20 min后噴涂在木片上，在5 MPa、170 °C的條件下熱壓8 min，導(dǎo)熱系數(shù)可提升40%[33]。相比于硅烷偶聯(lián)劑需先水解形成硅醇基后才能與木質(zhì)單元、導(dǎo)熱單元結(jié)合，鈦酸酯偶聯(lián)劑因其可與木質(zhì)單元或?qū)釂卧苯咏Y(jié)合形成單分子層，因而以此為添加劑與石墨、木纖維共混熱壓而成的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)更高[34]。

將石墨烯/酚醛樹脂、石墨烯/聚乙烯醇兩種混合溶液分別浸漬于木質(zhì)單板，并將浸漬后的木質(zhì)導(dǎo)熱單板組坯熱壓成膠合板，其導(dǎo)熱效能提升幅度明顯[35-36]。韓國學(xué)者Seo J將納米石墨微片添加于膠黏劑中并以200 g/m2雙面涂膠量將膠黏劑與單板復(fù)合，在1 MPa壓力下冷壓30 min，而后以相同壓力在115 ℃下熱壓4 min，制備出的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料其導(dǎo)熱性能與拉伸剪切強度均增加[37]。將石墨導(dǎo)熱膜與單板膠合熱壓，研究發(fā)現(xiàn)石墨膜未能提升木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的傳熱性能，但可以改善材料表面溫度分布的均勻性，有良好的均熱效果[38]。

熱壓過程中，壓板熱量由表面?zhèn)魅胄緦?。由于刨花與膠黏劑是熱的不良導(dǎo)體，熱量需經(jīng)較長時間才能傳入芯層，造成內(nèi)部膠黏劑未能充分固化。導(dǎo)熱單元的加入提升了板材的導(dǎo)熱系數(shù)，熱量傳遞時間縮短，使芯層在相同的熱壓時間下獲得更多的熱量，芯層內(nèi)部的膠黏劑得以更快更好的固化，從而提升其抗彎強度、抗彎彈性模量等力學(xué)性能[39]。同樣地，也正是因為添有導(dǎo)熱單元的木質(zhì)復(fù)合材料傳熱性能提升，快速吸熱的同時也能快速散熱，內(nèi)部芯層向外傳遞熱量的速度加快，可能會使表層已固化的樹脂膠黏劑解聚[40]。此外，導(dǎo)熱單元的過多添加，不僅增加生產(chǎn)成本，還會導(dǎo)致靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度的降低，影響木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能[41]。因此，導(dǎo)熱單元的最佳添加量是制備工藝研究的核心。

2.2.2 熔融擠出

熔融擠出常用于木塑復(fù)合材料(WPC)的加工制備，由于材料密度不同，WPC的導(dǎo)熱系數(shù)雖較高于實木單板、膠合板和纖維板，但因WPC中木粉與熱塑性聚合物導(dǎo)熱系數(shù)均極低，因此仍難以應(yīng)用于導(dǎo)熱領(lǐng)域[42-43]。將具有良好導(dǎo)熱性能的納米粒子與聚合物、木粉在高速剪切力下分散、混合并擠出成型，制備出導(dǎo)熱性能佳的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料成為近來WPC研究方向之一。

以石墨為導(dǎo)熱單元制備出的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著石墨添加量的增加而上升，石墨的高添加量下有著較高的表面平衡溫度[44]。使用表面改性劑對導(dǎo)熱單元改性，可提升導(dǎo)熱單元與木粉、聚合物之間的結(jié)合力，對木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也有著增強作用。研究表明，通過非離子型表面改性劑和硅烷偶聯(lián)劑進行表面處理的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱增強效果更為顯著[45]。過多導(dǎo)熱單元的添加會造成填料堆積，阻礙聚合物與木粉間交聯(lián)鍵的產(chǎn)生，導(dǎo)致力學(xué)性能的下降[46]。以石墨或MWCNT為導(dǎo)熱單元的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能均隨添加量的上升而下降，但以石墨烯為導(dǎo)熱單元的彎曲和拉伸模量則呈現(xiàn)相反的趨勢，可能是因為石墨烯自身高機械強度發(fā)揮了作用，當(dāng)石墨烯添加量為12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升了258.9%[47]。因此，導(dǎo)熱單元的自身性質(zhì)對于木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的性能有著一定程度的影響。

2.3 表面處理

基材的表面處理是對成型板材表面進行導(dǎo)熱層強化加工，以化學(xué)鍍或涂飾的方式將導(dǎo)熱單元與木質(zhì)基體相結(jié)合，以提升木質(zhì)材料整體的導(dǎo)熱性能。

2.3.1 化學(xué)鍍

化學(xué)鍍處理是指在沒有外加電流的條件下，同一鍍液中的金屬鹽與還原劑在具有催化活性的基體表面上發(fā)生自催化還原氧化反應(yīng)，使得鍍液中的金屬離子還原成金屬并沉積到基體表面的方法。化學(xué)鍍?nèi)芤褐饕ń饘冫}、還原劑、絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑和其他添加劑，化學(xué)鍍金屬以銅、鎳、銅鎳二元合金為主。由于木質(zhì)基體不具有催化活性，必須先對其進行活化處理，常用的活化液有氯化鈀乙醇溶液[48]、銀氨溶液[49]或銅鹽溶液[50]。鍍前活化處理是影響鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵工序，尋求一種新型、簡單、經(jīng)濟的木質(zhì)基體活化方法是當(dāng)前的研究熱點，研發(fā)出如離子鎳活化法[51]、PLD脈沖激光沉積法[52]等。

化學(xué)鍍法適用于多種形態(tài)的木質(zhì)基體，除單板、方材、木片、木屑外，在對WPC進行滲蠟、粗化、活化后也可以進行化學(xué)鍍處理[53]?；瘜W(xué)鍍木材的表面構(gòu)造與化學(xué)性質(zhì)均未發(fā)生改變，木材的粗糙表面和多孔隙結(jié)構(gòu)還有助于基體與鍍層間的結(jié)合更為緊密連續(xù)[54]。將功能性突出的合金化學(xué)鍍覆于木質(zhì)基體，可賦予其除導(dǎo)電、導(dǎo)熱性外如耐腐蝕、電磁屏蔽等其他功能。樺木單板經(jīng)APTHS硅烷預(yù)處理、氯化鈀活化處理后化學(xué)鍍Ni-Mo-P三元合金，獲得疏水、耐腐蝕和電磁屏蔽的性能[55]。研究表明[56-57]，化學(xué)鍍鎳后的樺木導(dǎo)熱系數(shù)增長7.06倍，達0.959 W/(m·K)。鍍層中沉積的金屬含量與導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，這主要是源于含量高的沉積金屬中具有更多熱傳導(dǎo)性強的自由電子。

2.3.2 涂 飾

相較于表面存有孔隙的未涂飾木質(zhì)單元，涂飾后的木質(zhì)單元換熱能力增強。不同的涂層性質(zhì)影響著木質(zhì)單元導(dǎo)熱系數(shù)的變化[58]。將導(dǎo)熱單元加入高分子成膜基體中，基體內(nèi)部會隨著導(dǎo)熱單元添加量的增加逐漸形成傳熱網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合涂層的導(dǎo)熱性能得以增強[59]。將導(dǎo)熱涂料涂飾于單板、刨花板等木質(zhì)基體，能夠增強其傳熱性能，提升表面的散熱效率。

導(dǎo)熱單元在聚合物中應(yīng)具有良好的分散效果，使得兩相間的界面熱阻降低，形成更為完整的傳熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用一步法制備出石墨烯/納米纖維素(GM/CNC)凝膠，通過透射顯微鏡觀察出石墨烯能夠均勻沉積在納米纖維素分子結(jié)構(gòu)中，將GM/CNC凝膠按3%的比例加入到水性聚氨酯涂料中，制備出的導(dǎo)熱水性涂料在提升木質(zhì)基體傳熱性的同時，也增強了硬度與耐磨性[60]。為改善導(dǎo)熱單元在聚合物中的分散效果，可利用偶聯(lián)劑或表面改性劑對導(dǎo)熱單元進行表面改性[61]，有研究利用KH-560偶聯(lián)劑對氧化鋁粉末進行表面處理，增加了氧化鋁粉末與環(huán)氧樹脂間的相互作用力，減少了界面處的聲子散射，降低了兩相間的界面熱阻，制備出的涂料導(dǎo)熱性得到提升[62]。以碳纖維為導(dǎo)熱單元、丙烯酸―聚氨酯樹脂為基體制備復(fù)合涂層，其導(dǎo)熱系數(shù)隨著導(dǎo)熱單元的添加呈現(xiàn)先上升后下降的變化，當(dāng)碳纖維添加量為12.3%時復(fù)合涂層導(dǎo)熱系數(shù)為高峰值，之所以出現(xiàn)“先增后降”的趨勢是因為逐漸形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)使得導(dǎo)熱系數(shù)不斷上升，但過多的導(dǎo)熱單元則導(dǎo)致了團聚堆積和導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的不通暢，因而導(dǎo)熱性能開始下降[63]。

3 結(jié) 語

導(dǎo)熱單元與木質(zhì)單元結(jié)合不僅保留了木質(zhì)材料易加工、易獲取、可降解的優(yōu)勢特征，還在一定程度上改善了木質(zhì)材料的導(dǎo)熱性能。目前木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料研究仍多停留在實驗室階段，尚未形成工業(yè)化生產(chǎn)，但因其具備制備工藝多樣且簡單、導(dǎo)熱性能提升明顯、材料環(huán)保且可再生等優(yōu)勢，在地采暖地板、機房裝修散熱材料等室內(nèi)木質(zhì)家裝領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，未來也可應(yīng)用于電子基板等散熱領(lǐng)域。

當(dāng)前木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究主要集中在不同導(dǎo)熱單元的提升效果、導(dǎo)熱單元的最佳添加量、導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能相適應(yīng)的工藝調(diào)控上。未來木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究需集中在以下4個方面。

(1)制備方法的優(yōu)化。不同制備方法下木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能各不相同，存在著不同的優(yōu)劣特征。合金浸漬法導(dǎo)熱系數(shù)最佳，但密度過重、金屬感強；表面處理雖能夠保持木材特征，但導(dǎo)熱性能提升有限；重組復(fù)合工藝簡單、易規(guī)模化生產(chǎn)，卻存在力學(xué)性能下降的問題。因此，研發(fā)出既能保持木材質(zhì)感與機械強度又能增強導(dǎo)熱性能的制備方法將是未來的研究重點。

(2)傳熱預(yù)測模型的構(gòu)建。由于制備技術(shù)的不同，木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的內(nèi)部構(gòu)造及組成復(fù)雜且各異，難以籠統(tǒng)的采用通用模型進行預(yù)測。未來研究中可基于不同木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)以及不同導(dǎo)熱單元的性質(zhì)建立模型，開展多因素下復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)影響的研究，并構(gòu)建模型與驗證。

(3)界面結(jié)合的增強。木質(zhì)單元中含有大量的羥基基團，其表面極性較強，與聚合物的界面相容性較差。采用物理或化學(xué)的方法對木質(zhì)單元或?qū)釂卧男裕鰪姸嘞嚅g的界面相容性，將有助于提升木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐久性和尺寸穩(wěn)定性。

(4)多重功能的拓展。除增強木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性、尺寸穩(wěn)定性、耐磨性以外，賦予其電磁屏蔽、疏水自清潔、防腐阻燃、儲熱絕緣等功能也是未來的研究方向。如將絕緣性導(dǎo)熱聚合物與木粉混合以熔融擠出法制備的木質(zhì)導(dǎo)熱復(fù)合材料，未來或可應(yīng)用于電子散熱元件上；將高導(dǎo)熱相變材料與木質(zhì)基體復(fù)合不僅可以改善傳熱性能，還能實現(xiàn)熱能的儲存轉(zhuǎn)換。