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部的含量和分布情況進行研究，同時利用comsol程序對鹽溶液向木材內部的滲透過程進行了模擬研究。結果表明：鹽溶液主要通過徑向（導管）和橫向（具緣紋孔）兩種途徑滲透入木材內部，由于滲透速率的不同，使得木材中磁性粒子的數量與木材浸泡的時間呈正相關，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。

關鍵詞：磁性材料 復合木材 制備 原位反應 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品，隨之產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合，制備磁性木材復合材料，生產出便于日常使用的電磁屏蔽材料（如家裝、家具以及電子設備外殼等），已經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構的影響，很難實現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構并影響其力學性能。這些缺點都限制了磁性木材在實際生活中的應用。

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透在木材內部的鐵離子發(fā)生共沉淀反應，從而在木材內部生成磁性粒子，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）楊木單板的預處理。

將楊木單板加工成80 mm×80 mm×3 mm，經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，FeCl2·4H2O 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）網格劃分。

采用特細的網格劃分，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，而木塊為多孔介質，因此選取多孔介質稀物質傳遞方程，表達式如下。

2 結果與討論

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。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。

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，通過掃描電鏡結果我們可以發(fā)現，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，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，這一現象表明，鐵鹽除了可以通過導管滲透進入木材體內，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滲透的動力學過程圖。從圖中可以看出，隨著時間的增加，鐵鹽分別通過縱向（導管）和橫向（具緣紋孔）兩個方向滲透進入木材體內。同時，鐵鹽的分布區(qū)域逐漸擴大，進入木材體內的量也逐漸提高。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構特征決定的。研究發(fā)現，木材中具緣紋孔的滲透率要遠低于導管的滲透率。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，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 結語

（1）經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）磁性顆粒前驅體，鐵鹽在木材內部的滲透通過橫向（具緣紋孔）和縱向（導管）兩種方式實現，前者的滲透效率低于后者。

參考文獻

[1] R.B Yang，P.M Reddy，C.J Chang，et al. Synthesis and characterization of Fe3O4/polypyrrole/carbon nanotube composites with tunable microwave absorption properties： Role of carbon nanotube and polypyrrole content[J].Chemical Engineering Journal，2016，285：497-507.

[2] 楊文麟，董勝奎，劉本東.電磁波吸收材料[J].電子質量， 2011（7）：43-44.

[3] 楊文麟.電磁波吸收材料的研制及發(fā)展動向[J]. 電子質量，2005（6）：71-72.

[4] J Liu，J Cheng，R Che，et al.Synthesis and Microwave Absorption Properties of Yolk–Shell Microspheres with Magnetic Iron Oxide Cores and Hierarchical Copper Silicate Shells[J]. ACS Applied Material Interfaces，2013，5（7）：2503-2509.

[5] J Liu，R Che，H Chen，et al.Microwave Absorption Enhancement of Multifunctional Composite Microspheres with Spinel Fe3O4 Cores and Anatase TiO2 Shells[J].Small，2012，8（8）：1214-1221.

[6] H Oka，A Hojo，K Seki，T Takashiba.Wood construction and magnetic characteristics of impregnated type magnetic wood[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，239：617-619.

[7] H Oka，A Hojo，H Osada，et al.Manufacturing methods and magnetic characteristics of magnetic wood [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2004，272（2）：2332-2334.