充胀—偶联体系改善杨木塑合木性能的研究

论文摘要

将杨木制备成塑合木,既可较大程度的保留木材的天然特性,又可进一步提高其利用价值,故深受人们的喜爱。然而,塑合木制造成本昂贵,性价比低,导致其难以适应市场的竞争。为此,本研究尝试按以下思路试验,试图较大幅度的提高传统塑合木的综合性能,以提高其性价比。（1）通过制备传统塑合木,并性能检测,再借助SEM、FTIR和XRD等先进手段试图从机理上解析塑合木性能与内部结构的关系,探源出塑合木综合性能欠佳导致性价比高的根本原因。（2）依据根源,通过探寻合适的功能试剂、添加剂以及改进制备工艺方法等途径,制备改良的塑合木,并依据性能指标寻求优化工艺,最后对优化工艺下的塑合木机理表征和性能检测,以评价改良塑合木的复合效果和综合性能。按照上述思路,通过试验研究,得出如下结论:（1）利用SEM、FTIR和XRD等先进手段从根源上探讨了传统塑合木性能与结构的关系,找到了其综合性能欠佳的根源:传统塑合木中高聚物与木材细胞壁键合微弱,导致其力学性能、热稳定性、耐化学腐蚀性等主要取决于高聚物和木材自身的性能优劣,而未出现材料复合带来的性能之大幅提高;同时由于木材与高聚物未很好的化学键合导致木材细胞壁上大量羟基的存在及彼此间存在的界面缝隙,使得水分和微生物得以较容易的深入入侵细胞内壁,故尺寸稳定性和防腐性能等未得到大幅提高,仅有的改善主要是高聚物填充细胞腔,而略延缓了水分和微生物向细胞壁的入侵所致。（2）采用GMA作为偶联剂,用于改善传统塑合木的性能。通过优化工艺确定了偶联聚合体系中GMA与MMA的摩尔比为1:5,GMA与St的摩尔比为1:4,AIBN均为0.5%;聚合反应条件均为100℃,8h。通过SEM扫描电镜观察知,偶联—塑合木中高聚物广泛填充在木材细胞腔中,与细胞壁结合紧密,无明显缝隙。通过FTIR图谱解析知,偶联剂GMA既利用其自身带的环氧基团与木材细胞壁的羟基充分发生了亲核取代反应,消除了细胞壁S3层上的大量吸水基团—羟基,又通过自身的双键与乙烯单体充分自由基共聚合,形成的高聚物实现了与木材的键联;另外,GMA还通过其与木材细胞壁上的羟基键合时产生的等量新羟基逐步发生亲核取代反应而生成聚酯链;聚酯链和高聚物键联、交叉,于木材细胞腔中形成了体形网状固体树脂。通过XRD定性分析知,偶联—塑合木的相对结晶度较素材和对应的传统塑合木明显降低,同样表明偶联剂GMA实现了高聚物与木材的充分结合。（3）偶联—塑合木的各项力学性能大都较传统塑合木提高0～1倍左右;较素材提高1～5倍不等;唯有冲击韧性改善不一,较素材和传统塑合木相比,从-20%～4倍。偶联—塑合木的耐久性大都较素材提高0～13倍,较传统塑合木提高0～12倍;唯有热稳定性方面,偶联—塑合木较传统塑合木提高17～31℃左右,较素材降低20～30℃左右。（4）选定丙酮作为充胀溶剂,Ma作为充胀试剂,先行充胀键合木材细胞壁,然后再与偶联剂GMA和乙烯单体键合,制得了充胀—偶联塑合木;并确定了充胀—偶联体系与木材的优化反应条件为100℃～110℃,8h。由SEM微观观察知,充胀剂Ma与偶联剂GMA组成的充胀—偶联体系于木材空隙中发生了化学反应,形成的固态高聚物坚硬密实,广泛沉积填充在木纤维、导管等空腔中,与细胞壁结合紧密,无明显缝隙。由FTIR的机理表征知,GMA既与Ma—杨木中的新羧基发生了亲核取代反应,也与木材细胞壁中未参与反应的羟基及新生成的羟基发生了亲核取代反应,实现了其与木材细胞壁的键联;同时GMA的双键与乙烯单体的双键发生了自由基共聚合,形成了体形交联的高聚物。XRD检测知,充胀—偶联塑合木的相对结晶度均较传统塑合木降低,即充胀—偶联体系于木材空隙中发生了化学反应,生成的高聚物以无定形状态键合在木材细胞壁上,从而导致充胀—偶联塑合木的相对结晶度降低。（5）力学性能测试结果表明,充胀—偶联塑合木的大多数性能较素材提高0～3倍,较传统塑合木提高0～1倍,较偶联—塑合木改善不一,从-2～2倍。耐久性试验结果表明:充胀—偶联塑合木的大多数性能较素材提高4～42倍,较传统塑合木提高3～40倍,较偶联—塑合木提高1～30倍左右;唯有耐热性指标,充胀—偶联塑合木较素材降低42℃左右,较传统塑合木提高6～9℃,较偶联—塑合木约降低7～24℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 我国木材资源现状
• 1.1.2 木材性能改良的必要性和迫切性
• 1.1.3 塑合木的研究现状
• 1.2 本研究的目的与意义
• 1.3 本研究的主要思路与方法
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 本研究的主要创新点
• 2 传统塑合木综合性能欠佳的机理探源
• 2.1 传统杨木塑合木的制备
• 2.1.1 试验原理
• 2.1.2 试验材料
• 2.1.3 试验方法
• 2.2 传统杨木塑合木的性能测试
• 2.2.1 力学性能测试
• 2.2.2 耐久性测试
• 2.3 传统杨木塑合木的问题探源
• 2.3.1 SEM微观结构分析
• 2.3.2 FTIR反应机理分析
• 2.3.3 XRD反应机理分析
• 2.3.4 传统杨木塑合木的性能解析
• 2.4 本章小结
• 3 偶联剂GMA的选用及对传统杨木塑合木性能的影响
• 3.1 偶联剂GMA的选用
• 3.1.1 GMA的选用依据
• 3.2 偶联—塑合木的制备
• 3.2.1 试验原理
• 3.2.2 偶联—塑合木优化制备工艺的确定
• 3.3 偶联—塑合木的表征
• 3.3.1 SEM微观分析
• 3.3.2 FTIR机理分析
• 3.3.3 XRD反应机理分析
• 3.4 偶联剂GMA对传统杨木塑合木综合性能的影响
• 3.4.1 偶联剂GMA对传统杨木塑合木力学性能的影响
• 3.4.2 偶联剂GMA对传统杨木塑合木耐久性的影响
• 3.5 本章小结
• 4 充胀剂的选用及其与GMA组成的充胀—偶联体系对杨木塑合木性能的影响
• 4.1 充胀剂Ma选择的依据
• 4.1.1 Ma的选用依据
• 4.2 充胀—木材的制备与表征
• 4.2.1 充胀—木材的制备
• 4.2.2 充胀—木材的表征
• 4.3 充胀剂Ma对木材性能的影响
• 4.3.1 充胀剂Ma对木材力学性能的影响
• 4.3.2 充胀剂Ma对木材耐久性的影响
• 4.4 充胀—偶联塑合木的制备
• 4.4.1 试验原理
• 4.4.2 充胀—偶联体系之优化反应条件的确定
• 4.5 充胀—偶联塑合木的表征
• 4.5.1 SEM微观分析
• 4.5.2 FTIR机理分析
• 4.5.3 XRD机理分析
• 4.6 充胀—偶联体系对杨木塑合木力学性能的影响
• 4.7 充胀—偶联体系对杨木塑合木耐久性的影响
• 4.7.1 充胀—偶联体系对传统塑合木耐酸碱性的影响
• 4.7.2 充胀—偶联体系对传统塑合木防腐性能的影响
• 4.7.3 充胀—偶联体系对传统塑合木耐候性的影响
• 4.7.4 充胀—偶联体系对传统塑合木耐热性的影响
• 4.7.5 充胀—偶联体系对传统塑合木尺寸稳定性的影响
• 4.8 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢