微化蒙脱土悬浮液的制备及其处理材性能和表征

论文摘要

蒙脱土是粘土的一种,是一类层状硅酸盐类化合物,在我国资源丰富,价格低廉,广泛应用于高分子材料的改性中。为了改善木材的物理、力学等性能,本研究制备了微化蒙脱土悬浮液并对木材进行改性。研究采用一步法以及两步法制备工艺,利用蒙脱土的阳离子可交换性、添加化学分散剂和物理分散方式提高有机蒙脱土颗粒在水相中的分散稳定性,制备稳定的微化蒙脱土悬浮液,通过满细胞法真空-加压浸注杉木试材,制备微化蒙脱土悬浮液改性处理材（以下简称改性处理材）,并采用X-射线衍射分析（XRD）、傅里叶红外光谱分析（FTIR）、扫描电镜-能谱分析（SEM-EDXA）、差热-热重分析（DTA-TG）、Zeta电位仪以及激光粒度仪进行表征及分析,得到如下主要结论：（1）采用二甲基双癸基氯化铵（DDAC）对蒙脱土进行有机改性可以明显提高层间距以及表面疏水性,降低吸水膨胀性。其中影响蒙脱土改性效果的各因素的影响因子的顺序为：改性剂的加入量>改性体系的pH值>蒙脱土的分散浓度>改性时间>陈化时间>改性温度。制备有机蒙脱土的优化工艺为：DDAC过量150%,原土分散浓度为5%,体系pH值为10,改性时间为2h,陈化24h,改性温度为50℃。在该工艺下制备的有机蒙脱土的层间距达到27.34 A,部分片层甚至完全剥离,疏水性得到明显改善。（2）采用聚乙烯醇（PVA）或聚乙二醇（PEG）作为分散剂均能有效提高有机蒙脱土在水相中的分散稳定性,其效果与分散剂浓度等因素相关。研究结果表明,制备微化蒙脱土悬浮液分散剂的优化参数为：（1）当高分子分散剂浓度>1%时,选择PVA高分子分散剂,DDAC浓度为1.4%,高分子分散剂浓度为2%或者1%,pH值为8-10；OMMT分散浓度为5%。（2）当高分子分散剂浓度<1%时,选择PEG高分子分散剂,DDAC浓度为<0.7%,高分子分散剂浓度为0.5%或者0.25%,pH值为8-10,OMMT分散浓度为2%。分散方式对微化蒙脱土悬浮液制备的影响顺序：球磨分散>机械搅拌分散>超声波分散。（3）使用PVA复配分散剂,分别采用一步法以及两步法制备稳定的PVA微化蒙脱土悬浮液,通过满细胞法真空-加压浸注处理木材,制备PVA微化蒙脱土悬浮液改性处理材（PVDMW）。结果表明,两步法制备的改性处理材中蒙脱土主要以大颗粒的形式填充在木材管胞腔等大细胞腔中,而未进入木材细胞壁中与其主要成分发生作用,因此改性处理材的性能提高较小。而一步法制备改性处理材中一小部分剥离的蒙脱土小片层进入了木材细胞壁的非结晶区,并与木材的主要成分发生一定的化学反应,使木材细胞壁中含有部分的Si元素,改性处理材的结晶度提高,对应的改性处理材的热稳定性、抗水流失性、尺寸稳定性、表面硬度、抗压强度等都有一定程度的提高,改性处理材的性能在一定程度上得到改善。然而由于PVA过长的分子长链降低了球磨效果,剥离的蒙脱土小片层含量较低,因此改性处理材各项性能虽然各有提高,但效果却并不显著。（4）使用PEG复配分散剂,分别采用一步法以及两步法制备稳定的PEG微化蒙脱土悬浮液,通过满细胞法浸注真空-加压浸注处理木材,制备PEG微化蒙脱土悬浮液改性处理材（PEDMW）,其中添加PEG1000的一步法制备改性处理材中,蒙脱土主要以小颗粒状以及纳米片状的形式分布在木材细胞腔以及进入木材细胞壁中,使木材细胞壁中Si元素的含量显著提高,其中OMMT通过PEG的络合作用进一步与木材纤维素及半纤维中的醇羟基发生络合反应,生成新的络合物,还可以与木素中的羰基发生作用。而随着蒙脱土纳米片层进入木材细胞壁的非结晶区使改性处理材的结晶度显著提高,蒙脱土纳米效应的发挥使相应的一步法改性处理材在抗水流失性、尺寸稳定性、表面硬度以及抗压强度等方面都得到显著的提高。而两步法制备改性处理材中由于蒙脱土片层的粒度没有降低,蒙脱土主要以大颗粒的形式吸附在木材的大孔隙中,没有进入木材的细胞壁,导致两步法制备改性处理材在性能提高方面低于一步法制备改性处理材。而当添加PEG8000时,PEG8000降低木材的渗透性,阻止了蒙脱土等有效成分进入木材细胞腔中,改性处理材的各项性能的提高也明显低于PEG1000作为分散剂的一步法制备改性处理材。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 木质复合材料的研究与发展
• 1.2.1 木质复合材料的基本含义及分类
• 1.2.2 渗透法木材改性及木质复合材料制备的研究现状
• 1.2.3 纳米技术在木质复合材料的应用
• 1.2.3.1 纳米复合材料
• 1.2.3.2 木材无机纳米复合材料的发展
• 1.3 蒙脱土纳米插层复合材料的研究进展
• 1.3.1 蒙脱土的基本结构及改性
• 1.3.1.1 蒙脱土的结构特性
• 1.3.1.2 蒙脱土理化性能
• 1.3.1.3 蒙脱土的改性
• 1.3.2 蒙脱土/聚合物纳米复合材料的研究
• 1.3.2.1 插层型纳米复合材料的制备与分类
• 1.3.2.2 蒙脱土/聚合物纳米复合材料的研究进展
• 1.3.3 蒙脱土在木材改性中的应用
• 1.3.3.1 木材结构中的纳米尺度
• 1.3.3.2 蒙脱土/木材纳米插层复合材料的研究现状
• 1.4 无机粉体颗粒的分散稳定性研究
• 1.4.1 无机粉体颗粒的分散技术
• 1.4.1.1 物理改性分散法
• 1.4.1.2 化学改性分散法
• 1.4.1.3 分散剂的分类
• 1.4.2 分散剂对无机粉体颗粒的分散机制
• 1.4.2.1 静电稳定机制
• 1.4.2.2 空间位阻稳定机制
• 1.4.2.3 静电位阻稳定机制
• 1.4.3 分散剂对提高无机粉体颗粒分散稳定性研究现状
• 1.5 阳离子型分散剂在木材改性领域的应用
• 1.5.1 烷基铵类化合物在杀菌消毒领域的应用
• 1.5.2 季铵盐在木材防腐中的应用
• 1.6 微化蒙脱土悬浮液改性处理材的制备构想
• 1.7 本研究的目的及意义
• 1.8 研究思路及论文的构成
• 1.8.1 研究思路
• 1.8.2 论文构成
• 2 有机蒙脱土的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 有机蒙脱土的制备
• 2.2.3.1 制备原理
• 2.2.3.2 制备过程
• 2.2.4 有机蒙脱土的表征
• 2.2.4.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.2.4.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.2.4.3 红外光谱分析（FTIR）
• 2.2.4.4 热差-热重分析（DTA-TG）
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.3.1.1 改性剂对改性效果的影响
• 2.3.1.2 改性剂用量对改性效果的影响
• 2.3.1.3 反应时间对改性效果的影响
• 2.3.1.4 改性温度对改性效果的影响
• 2.3.1.5 pH值对改性效果的影响
• 2.3.1.6 分散浓度对改性效果的影响
• 2.3.1.7 陈化时间对改性效果的影响
• 2.3.2 有机蒙脱土制备正交实验
• 2.3.3 扫描电镜分析（SEM）
• 2.3.4 红外光谱分析（FTIR）
• 2.3.5 差热-热重分析（DTA-TG）
• 2.4 本章小结
• 3 有机蒙脱土分散稳定性研究及微化蒙脱土悬浮液的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.3.1 沉降实验法
• 3.2.3.2 Zeta电位法
• 3.2.3.3 粒度分析法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 DDAC分散剂对有机蒙脱土微化分散稳定性的影响
• 3.3.2 复配分散剂对有机蒙脱土微化分散稳定性影响
• 3.3.3 复配分散剂浓度对有机蒙脱土微化分散稳定性的影响
• 3.3.3.1 聚乙烯醇（PVA）
• 3.3.3.2 聚乙二醇（PEG）
• 3.3.3.3 聚乙烯吡咯烷酮（K-30）
• 3.3.3.4 聚丙烯酰胺（PAM）
• 3.3.4 分散剂聚合度对有机蒙脱土微化分散稳定性的影响
• 3.3.5 pH值对有机蒙脱土微化分散稳定性的影响
• 3.3.6 分散方式对有机蒙脱土微化分散稳定性的影响
• 3.3.7 微化有机蒙脱土悬浮液制备正交实验
• 3.4 本章小结
• 4 聚乙烯醇微化蒙脱土悬浮液改性处理材制备及表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 PVA微化蒙脱土悬浮液改性处理材的制备
• 4.2.3.1 改性处理液的配制
• 4.2.3.2 木材加压浸注处理
• 4.2.4 PVA微化蒙脱土悬浮液改性处理材结构表征
• 4.2.4.1 增重率分析
• 4.2.4.2 X-射线衍射分析（XRD）
• 4.2.4.3 红外光谱分析（FTIR）
• 4.2.4.4 扫描电镜-能谱分析（SEM-EDXA）
• 4.2.4.5 差热-热重分析（DTA-TG）
• 4.2.5 PVA微化蒙脱土悬浮液改性处理材性能表征
• 4.2.5.1 抗水流失性
• 4.2.5.2 尺寸稳定性
• 4.2.5.3 表面硬度
• 4.2.5.4 抗压强度
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 改性处理材增重率分析
• 4.3.1.1 处理液对增重率的影响
• 4.3.1.2 蒙脱土分散浓度对增重率的影响
• 4.3.1.3 处理工艺对增重率的影响
• 4.3.2 改性处理材结构表征分析
• 4.3.2.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 4.3.2.2 红外光谱分析（FTIR）
• 4.3.2.3 扫描电镜-能谱分析（SEM-EDXA）
• 4.3.2.4 差热-热重分析（DTA-TG）
• 4.3.3 改性处理材性能表征分析
• 4.3.3.1 抗水流失性
• 4.3.3.2 尺寸稳定性
• 4.3.3.3 表面硬度
• 4.3.3.4 抗压强度
• 4.4 本章小结
• 5 聚乙二醇微化蒙脱土悬浮液改性处理材制备及表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 PEG微化蒙脱土悬浮液改性处理材的制备
• 5.2.3.1 处理液的配制
• 5.2.3.2 木材加压浸注处理
• 5.2.4 PEG微化蒙脱土悬浮液改性处理材结构表征
• 5.2.4.1 增重率分析
• 5.2.4.2 X-射线衍射分析（XRD）
• 5.2.4.3 红外光谱分析（FTIR）
• 5.2.4.4 扫描电镜-能谱分析（SEM-EDXA）
• 5.2.4.5 差热-热重分析（DTA-TG）
• 5.2.5 PEG微化蒙脱土悬浮液改性处理材性能表征
• 5.2.5.1 抗水流失性
• 5.2.5.2 尺寸稳定性
• 5.2.5.3 表面硬度
• 5.2.5.4 抗压强度
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 改性处理材增重率分析
• 5.3.1.1 处理液对增重率的影响
• 5.3.1.2 处理液浓度对增重率的影响
• 5.3.1.3 处理工艺对增重率的影响
• 5.3.2 改性处理材的结构表征分析
• 5.3.2.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 5.3.2.2 红外光谱分析（FTIR）
• 5.3.2.3 扫描电镜-能谱分析（SEM-EDXA）
• 5.3.2.4 差热-热重分析（DTA-TG）
• 5.3.3 改性处理材的性能表征分析
• 5.3.3.1 抗水流失性
• 5.3.3.2 尺寸稳定性
• 5.3.3.3 表面硬度
• 5.3.3.4 抗压强度
• 5.4 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 存在的问题与建议
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录清单
• 致谢