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溶胶—凝胶技术改性杨木纤维及其板材性能研究

作　者: 曹文静
导　师: 徐莉
学　校: 南京林业大学
专　业: 材料学
关键词: 溶胶-凝胶硼酸磷酸杨木纤维改性
分类号: TS653.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

速生人工林杨树具有木质松软、易燃烧、硬度低、尺寸稳定性差及耐磨性差等缺点,限制了它的使用范围。本论文提出以溶胶-凝胶技术,在低温条件下,模拟或改善天然生物复合材料,在纳米或细胞水平上实现对材料结构和组成的设计与控制,使之具有高性能。本论文区别于传统改性方法,通过在木材纳米空隙内、细胞内引入溶胶,使其在特定位置上聚集、反应,消除或减少极性基团,从而从根本上解决长期困扰木材科学工作者的这一难题。通过研究可以得出以下结论：1)以廉价的三氯化铁为原料制备氢氧化铁溶胶对杨木纤维进行改性。通过红外光谱和热失重测试分析,结果显示氧化铁-杨木纤维复合材料与未改性杨木纤维相比,亲水能力大大降低,热稳定性能得到提高。由此可以得出用溶胶-凝胶技术对杨木纤维进行改性是可行的。2)以正硅酸乙酯为前躯体,硼酸为添加剂,制备硅／硼溶胶对杨木纤维进行改性,结果显示：当H2O: TEOS摩尔比等于10时,溶胶的粒径为1.794nm,纤维增重率最大,能谱分析显示进入细胞壁纳米孔隙中的Si的质量分数为3.79%。FTIR图谱解析表明硅／硼溶胶与纤维上的羟基发生缩合。TG曲线显示硅／硼溶胶改性的杨木纤维复合材料具有良好的热稳定性能。3)硅／硼溶胶改性的杨木纤维板的各项性能已达到国家标准。CONE实验和防腐实验显示硅／硼溶胶改性的杨木纤维板具有良好的阻燃性能、耐白腐性和耐褐腐性。4)以正硅酸乙酯为前躯体,磷酸和磷酸盐为添加剂,制备硅／磷溶胶对杨木纤维进行改性,结果显示：当H2O: TEOS的摩尔比为30时,溶剂粒径为1.720nm,纤维增重率最大。能谱分析显示添加了磷酸氢二钾的溶胶进入纤维细胞壁的量更多,Si的质量分数为1.33%,P的质量分数为1.07%。FTIR图谱解析表明硅／磷溶胶与纤维上的羟基发生缩合。TG曲线显示硅／磷溶胶改性的杨木纤维复合材料具有良好的热稳定性能。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 木材概述  9-12
    1.1.1 木材的特点  9
    1.1.2 我国木材资源现状  9-10
    1.1.3 杨木是我国重要的人工林木材  10
    1.1.4 速生人工林杨树木材的加工利用现状  10-11
      1.1.4.1 人造板生产  10
      1.1.4.2 制浆造纸原料  10-11
      1.1.4.3 人造装饰薄木  11
      1.1.4.4 杨树木材改性  11
      1.1.4.5 木塑复合材料  11
      1.1.4.6 其它用途  11
    1.1.5 速生人工林杨木改性研究的必要性  11-12
  1.2 复合材料概述  12-13
    1.2.1 复合材料的定义及分类  12
    1.2.2 复合材料的特点  12-13
  1.3 木质复合材料概述  13-16
    1.3.1 木质复合材料的含义  13
    1.3.2 木质复合材料的研究现状  13-16
      1.3.2.1 混合复合制备木质复合材料的研究  13-14
      1.3.2.2 渗透(生成)复合制备木质复合材料的研究  14-16
      1.3.2.3 层积复合制备木质复合材料的研究  16
  1.4 课题的来源与意义  16-17
  1.5 本章小结  17-18
2 研究方法和材料  18-29
  2.1 研究方法  18-23
    2.1.1 溶胶-凝胶技术  18-22
      2.1.1.1 溶胶-凝胶技术简介  18
      2.1.1.2 溶胶-凝胶技术的基本原理  18-19
      2.1.1.3 溶胶-凝胶技术的制备工艺  19-20
      2.1.1.4 溶胶-凝胶技术的特点  20-21
      2.1.1.5 溶胶-凝胶技术制备纳米材料  21-22
    2.1.2 纳米材料概述  22-23
      2.1.2.1 纳米材料  22
      2.1.2.2 纳米复合材料  22-23
      2.1.2.3 纳米材料在木材上的应用  23
  2.2 实验材料  23-25
    2.2.1 杨树木材  23-24
    2.2.2 木材中的纳米尺寸  24-25
    2.2.3 化学试剂  25
  2.3 实验设备与仪器  25-29
    2.3.1 真空加压设备系统  25-26
    2.3.2 马尔文激光粒度分析仪  26
    2.3.3 扫描电镜  26-27
    2.3.4 红外光谱仪  27
    2.3.5 热重分析  27-28
    2.3.6 锥形量热仪  28-29
3 氢氧化铁溶胶改性杨木纤维及性能研究  29-35
  3.1 引言  29
  3.2 实验过程  29-31
    3.2.1 实验材料  29
    3.2.2 化学试剂  29
    3.2.3 杨木纤维预处理  29-30
    3.2.4 氢氧化铁溶胶制备  30
    3.2.5 氢氧化铁溶胶改性杨木纤维复合材料制备  30
    3.2.6 性能表征分析  30-31
  3.3 结果与讨论  31-34
    3.3.1 FeCl_3溶液浓度对杨木纤维增重率的影响  31
    3.3.2 抽真空时间对杨木纤维增重率的影响  31-32
    3.3.3 氢氧化铁溶胶改性杨木纤维复合材料的红外光谱分析  32-33
    3.3.4 氢氧化铁溶胶改性杨木纤维复合材料热分析  33-34
  3.4 本章小结  34-35
4 硅/硼溶胶改性杨木纤维及其纤维板的性能研究  35-56
  4.1 引言  35
  4.2 实验过程  35-37
    4.2.1 实验材料  35
    4.2.2 化学试剂  35-36
    4.2.3 硅/硼溶胶制备  36
    4.2.4 硅/硼溶胶改性杨木纤维复合材料的制备  36
    4.2.5 硅/硼溶胶改性的杨木纤维板的压制  36
    4.2.6 性能表征分析  36-37
  4.3 结果与讨论  37-44
    4.3.1 硼酸用量对溶胶性能的影响  37-38
    4.3.2 水用量对溶胶性能及纤维结构的影响  38-43
    4.3.3 硅/硼溶胶改性杨木纤维复合材料的红外光谱分析  43
    4.3.4 中密度纤维板的性能测试  43-44
  4.4 硅/硼溶胶改性杨木纤维复合材料阻燃性能研究与机理研究  44-50
    4.4.1 硅/硼溶胶改性杨木纤维复合材料热分析  44-45
    4.4.2 硅/硼溶胶改性的杨木纤维板锥形量热仪测试  45-50
      4.4.2.1 点燃时间TTI  45-46
      4.4.2.2 热释放速率HRR  46-47
      4.4.2.3 总热释放量THR  47-48
      4.4.2.4 质量损失速率MLR  48-49
      4.4.2.5 有效燃烧热EHC  49-50
    4.4.3 硼酸阻燃机理  50
  4.5 硅/硼溶胶改性的杨木纤维板的防腐实验  50-55
    4.5.1 实验材料和方法  50-52
      4.5.1.1 材料和仪器  50-51
      4.5.1.2 实验方法  51-52
    4.5.2 结果与讨论  52-55
      4.5.2.1 宏观观察  52-53
      4.5.2.2 腐蚀前后质量损失的变化情况  53-55
  4.6 本章小结  55-56
5 硅/磷溶胶改性杨木纤维及其性能研究  56-64
  5.1 引言  56
  5.2 实验过程  56-57
    5.2.1 实验材料  56
    5.2.2 化学试剂  56
    5.2.3 硅/磷溶胶制备  56
    5.2.4 硅/磷溶胶改性杨木纤维复合材料的制备  56
    5.2.5 性能表征分析  56-57
  5.3 结果与讨论  57-63
    5.3.1 硅/磷溶胶粒径分析  57
    5.3.2 水用量对纤维增重率的影响  57-58
    5.3.3 硅/磷溶胶改性杨木纤维复合材料扫描电镜-X射线能谱分析  58-60
    5.3.4 硅/磷溶胶改性杨木纤维复合材料红外光谱分析  60-61
    5.3.5 硅/磷溶胶改性杨木纤维复合材料热分析  61-63
  5.4 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-68
硕士期间发表的论文和专利  68-69
详细摘要  69-71
ABSTRACT  71-72

溶胶—凝胶技术改性杨木纤维及其板材性能研究

内容摘要

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