石蜡基Pickering乳液改良木材性能及机理

发布时间：2020-05-19 07:13

【摘要】：石蜡可有效提高木材的疏水性和尺寸稳定性,并可以在一定程度上提高木材的耐光老化性和耐腐性。木材经过无机纳米颗粒(例如,二氧化硅和蒙脱土)改性处理可以显著提高处理材的物理力学性能、表面硬度及耐腐性。本研究将石蜡与无机纳米颗粒以Pickering乳液的形式结合。即以无机纳米颗粒为固体颗粒稳定剂制备了稳定、低粒径的石蜡基Pickering乳液,并应用于木材的功能性改良。通过FTIR、SEM-EDX、TEM、TG和LSCM等分析手段研究了三种石蜡基Pickering乳液以及SiO2胶体体系对处理材的主要性能(热稳定性、疏水性、表面硬度及抗压强度等)的影响和作用机理。对比了不同体系乳液处理材性能之间的差异性,着重讨论了不同体系乳液中固体稳定剂添加量对乳液性能和处理材性能的影响。从而,阐明了石蜡和无机纳米颗粒对处理材相关性能的协同改良机制。并结合胶体体系改性剂及其处理材性能的研究提出了以后的研究方向。同时,利用动态水分吸附(DVS)方法研究了不同程度有机表面改性SiO2的疏水性,发现了明显的吸湿滞后现象。结合N2吸附方法研究了不同程度有机表面改性对SiO2团聚行为的影响,并结合团聚体形成的孔隙结构特征和不同程度疏水特性对SiO2的吸湿滞后现象做了解释。主要得到以下结论:(1)以亲水性纳米SiO2为固体稳定剂,少量Span80和Tween80为助乳化剂制备了稳定的O/W型石蜡基Pickering乳液并处理木材。乳液粒径随着固体颗粒浓度的增加而逐渐降低,在1%时粒径最小(188nm)且随时间变化稳定。Pickering乳液中的石蜡成分对处理材的热稳定性有负面影响,但在纳米SiO2添加量高于1%时,对该负面影响有一定的补偿作用。纳米SiO2与木材组分之间存在相互作用,从而约束了组分中聚合物的分子运动并提高了材料刚度。(2)采用溶胶-凝胶技术制备了 SiO2/MMT杂化颗粒(SMC),并以SMC为固体稳定剂制备石蜡基Pickering乳液,用于处理木材。过量TEOS可引起水解的Si-OH浓度增加,影响溶胶对MMT的插层和剥离效果。随着SMC浓度增加,乳液粒径呈增大趋势。相比于SiO2为固体稳定剂乳液处理材,SMC为固体稳定剂乳液处理材WPG(15%)降低。在SMC添加量为1%时,处理材细胞腔中观察到了微纳米凸起结构,该结构有助于提高处理材的疏水性。相比于SiO2为固体稳定剂Pickering乳液,SMC为固体稳定剂的Pickering乳液处理材热稳定性更佳,但抗压强度降低。(3)利用不同浓度的MPTS对Si02的表面进行可控疏水改性,分析了 MPTS改性Si02的孔隙结构和水分吸附特性。结果表明,增加MPTS浓度并不能持续线性降低Si02表面羟基含量。当MPTS添加量高于4%,MPTS的自缩聚行为相对较为显著。不同MPTS浓度改性Si02可对因团聚行为而造成的孔隙结构产生不同程度“填充”效果。当MPTS添加量8%时,SiO2的比表面积从271.8 m2.g-1降低至90.8 m2.g-1,说明Si02因团聚引起的孔隙被有效填充(团聚程度降低)。不同浓度MPTS改性Si02的吸湿滞后程度不同,H-H模型可以对MPTS改性Si02的水分吸附行为进行有效分析,得到了单层吸附水和多层吸附水的含量及变化趋势。(4)利用MPTS改性SMC为固体稳定剂制备石蜡基Pickering乳液,并提出无机纳米颗粒稳定石蜡基Pickering乳液木材性能改良机制。MPTS可有效改善SMC表面疏水性,4%为较优改性浓度。乳液粒径随固体稳定剂浓度增加而增加,但在1%时趋于稳定且小于同含量下SMC为固体稳定剂的乳液粒径。改性后的SMC可以较好地吸附在油/水界面,随乳液浸渍附着甚至是进入木材细胞壁内,处理材WPG增加(19%)。改性SMC浓度为0.1%时,处理材的细胞腔内表面出现微纳米凸起结构。处理材的热损失率均小于未处理材,热稳定性显著提升。改性SMC为固体稳定剂石蜡基Pickering乳液处理材的接触角在颗粒浓度为2%时达到近120°,表面硬度和抗压强度均优于表面活性剂协同Si02和SMC稳定乳液处理材。(5)相比于不同pH值条件下粉体Si02分散液,不同pH值硅溶胶体系可用于木材浸渍处理。基于溶胶稳定性理论(DLVO),随着硅溶胶体系pH值的增加,Zeta电位绝对值增加,在静电排斥的作用下可在一定程度上促进团聚的胶体颗粒再分散。pH=5和pH=11硅溶胶处理材具有较好的改性效果,得益于较适宜的pH值相容性和较小的溶胶粒径。pH=13硅溶胶处理材的性能较其他处理组次之,处理材的热损失率达80.4%,吸水率达51.4%。据此提出了下一步的研究方向。
【图文】：

针叶材,构造特征

石蜡基Ｐｉｃｋｅｒｉｎｇ乳液改良木材性能及机理和王喜明，２０１４邋）。木材中的孔隙按大小分为微孔（＜２ｎｍ）、介孔（２ｎｍ）。大孔主要是针叶材管胞、阔叶材导管、木纤维细胞、树脂的孔隙。微孔和介孔主要为细胞壁在干燥或润湿状态下的孔隙ｏｐｏｕｌｏｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００３）。逡逑

纤维素结构

１绪论针叶材中的管孔孔隙尺寸较小，阔叶材中的管孔孔隙较大，不同树种之间存差异（Ｂｏｎｎｅｒ邋ｅｔａｌ．，邋１９７２）。边材的有效孔隙直径显著大于心材（Ｓｔａｍｍ邋ｅｔａｌ渗透性较好，，有助于木材改性剂的渗透。逡逑木材主要化学组分逡逑了木材的孔隙结构外，木材的化学组分对木材功能性改良也有较大的影响。木材中的含量和作用差别，可分为主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）分（抽提物和灰分）。其中主要成分质量约为木材的９０％以上，是构成木材化学基础，同时也是木材性能改良的化学基础。逡逑
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S781.7

【参考文献】