孙晋强　陆弘毅　李星　邹璟　蔡家斌　娄志超

摘 要：以FeCl2/ FeCl3溶液和氨水对杨木单板进行分别浸渍，通过共沉淀法在杨木内部原位合成四氧化三铁纳米颗粒，制备磁性木材。运用扫描电镜对磁性颗粒在磁性木材内部的含量和分布情况进行研究，同时利用comsol程序对盐溶液向木材内部的渗透过程进行了模拟研究。结果表明：盐溶液主要通过径向（导管）和横向（具缘纹孔）两种途径渗透入木材内部，由于渗透速率的不同，使得木材中磁性粒子的数量与木材浸泡的时间呈正相关，且铁盐浸泡6 d后得到的样品磁化强度最高，达到0.08 emu/g。

关键词：磁性材料 复合木材 制备 原位反应 功能材料

中图分类号：TQ46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（c）-0185-05

随着科技水平的提高，人们的日常生活中已离不开电子产品，随之产生的电磁辐射和电磁干扰也越来越大，给人们的日常生活和电子器件造成了不可避免的损害。因此，电磁波屏蔽材料逐渐成为研究热点[1-3]。在过去的几年中，磁性吸波材料得到广泛研究。其中，四氧化三铁（Fe3O4）作为一种同时具有介电损耗（magnetic loss）和磁损耗（dielectric loss）的典型磁介电材料，由于其高电阻率和低成本的特点，逐渐成为一种极具吸引力的电磁波吸收材料[4-5]。而木材作为一种环境友好型材料，其具有高强重比、令人亲近的颜色花纹以及易于加工成型等优点。将其与磁性材料相结合，制备磁性木材复合材料，生产出便于日常使用的电磁屏蔽材料（如家装、家具以及电子设备外壳等），已经成为目前电磁屏蔽材料的重要研究方向。

1992年，H.Oka等人首次发表了磁性木材制备方法的专利[6]。目前比较常用的磁性木材制备方法主要有3种：浸透法、粉体法[8]和涂布法[8]。这些方法都需要事先制备磁流体，且前期工艺复杂，多涉及高温、高压等苛刻的制备条件，成本较高，且具有不确定性。另外，由于受到磁流体中磁性颗粒尺寸以及木材本身結构的影响，很难实现在成品中磁性颗粒的均匀分布。而粉体法还会破坏木材原有的纹理结构并影响其力学性能。这些缺点都限制了磁性木材在实际生活中的应用。

该文利用盐溶液相较于磁性颗粒更容易渗透入木材体内部的优点，先将杨木浸泡于FeCl2/FeCl3的混合溶液中，然后在碱性环境下使渗透在木材内部的铁离子发生共沉淀反应，从而在木材内部生成磁性粒子，得到磁性木材。同时，运用comsol软件分析了浸渍过程中盐离子进入木材的动力学过程，研究浸渍时间对磁性木材中磁性颗粒的分布情况以及由此产生的对其磁性的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

杨木（Populus spp.）板材：取自于安徽阜阳，初始含水率10%以下。FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O 和 NH3·H2O 均购买于Sigma-Aldrich公司。

1.2 磁性木材的制备

磁性木材的制备流程如图1所示，具体如下。

（1）杨木单板的预处理。

将杨木单板加工成80 mm×80 mm×3 mm，经超声波清洗器清洗后放入干燥箱中干燥过夜。

（2）用FeCl2/FeCl3溶液浸泡单板。

以每升水溶解FeCl3·6H2O 120.00 g，FeCl2·4H2O 44.14 g的比例配制铁盐溶液，将杨木块分别浸渍在溶液中1 d、3 d和6 d。之后，分别取出并在流动水源下冲洗掉表面残留的溶液，然后在75 ℃真空干燥箱中干燥1 d。

（3）氨水处理单板。

将干燥过的木板置于25%的氨水中浸渍1天，并再次在流动水源下冲洗，以去除表面残留的氨水溶液，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测试

环境扫描电子显微镜分析：使用切片机（REM-710，Yamato）对杨木试样切片（厚5μm），使用环境扫描电子显微镜（Quanta 200，荷兰FEI公司）对切片表面进行形貌观察，放大倍数分别为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。

振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer， VSM）分析：使用美国East Changing Technologies公司的Lake Shore 7404振动样品磁强计对真空干燥处理后的木材粉末磁性样品（80 mg）进行磁性测量。

1.4 comsol模拟

（1）模型建立。

对木材进行建模，设置木材厚度为3 mm，长为40 mm，宽为40 mm模型（即将杨木试样四等分，取1/4），如图1所示。

（2）网格划分。

采用特细的网格划分，如图2所示。

（3）控制方程。

考虑含四氧化三铁的溶液为稀物质，而木块为多孔介质，因此选取多孔介质稀物质传递方程，表达式如下。

2 结果与讨论

2.1 浸泡时间对饱和磁化强度的影响

图3为铁盐浸渍不同时间得到的磁性木材样品的磁滞回线图。从图3中可以看出，样品的饱和磁化强度随着铁盐浸渍时间的增加而增加，说明样品的磁化强度与木材的浸泡时间呈正相关。而磁化强度与磁性粒子在磁性木材中的含量以及分布情况有关。

2.2 磁性木材中磁性颗粒的分布情况

图4是样品照片及扫描电镜微观形貌图。a，b，c分别为铁盐浸渍1 d，3 d和6 d后制备得到的样品。随着浸泡时间的增加，木材的颜色逐渐加深。同时，通过扫描电镜结果我们可以发现，随着浸泡时间的增加磁性木材中的磁性颗粒的量明显增多，且更加均匀。这与样品宏观的表面颜色的变化趋势相吻合，表明浸泡时间对木材中磁性粒子的含量是有影响的，适当延长浸泡时间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（如图3）。

從图4中我们还可以发现，1 d样中磁性粒子成团簇状，主要分布在磁性木材中的具缘纹孔附近，这一现象表明，铁盐除了可以通过导管渗透进入木材体内，还可以通过木材中的具缘纹孔进行渗透。为了进一步研究铁盐渗透进入木材的动力学过程，以及两种渗透途径在铁盐浸渍过程中发挥的作用，我们对其进行comsol动力学模拟分析。

2.3 comsol模拟分析

图5～11是运用comsol软件模拟得到的，铁盐溶液在木材体内渗透的动力学过程图。从图中可以看出，随着时间的增加，铁盐分别通过纵向（导管）和横向（具缘纹孔）两个方向渗透进入木材体内。同时，铁盐的分布区域逐渐扩大，进入木材体内的量也逐渐提高。另外，从图中可以看出，其横向和纵向的渗透速率有明显的差异，这主要是由于木材本身的结构特征决定的。研究发现，木材中具缘纹孔的渗透率要远低于导管的渗透率。通过comsol的模拟图像，还可以看出，浸泡时间对木材中铁盐的分布有影响，在适当范围内，延长浸泡的时间，铁盐的含量增多且分布趋于均匀。其最终生成的磁性颗粒也会随之增加，分布趋于均匀，有利于磁性木材本身磁性的提高。

3 结语

（1）经该文中的方法可以制得具有一定磁性的磁性木材，并且其饱和磁化程度随其在盐溶液中处理的时间的增加而增强。

（2）磁性颗粒前驱体，铁盐在木材内部的渗透通过横向（具缘纹孔）和纵向（导管）两种方式实现，前者的渗透效率低于后者。

参考文献

[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] 杨文麟，董胜奎，刘本东.电磁波吸收材料[J].电子质量， 2011（7）：43-44.

[3] 杨文麟.电磁波吸收材料的研制及发展动向[J]. 电子质量，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.