耐光老化重组竹制备与性能表征

发布时间：2018-08-25 16:37

【摘要】：重组竹是我国竹产业发展中的主要工业化产品之一,随着我国开展大规模的美丽中国以及生态文明建设,户外用重组竹已经成为最具发展潜力的优势领域之一。开展户外重组竹制造和应用技术的研究,对拓展重组竹应用范围、推动竹产业向高效和高附加值方向发展都具有重要理论意义及实用价值。重组竹户外应用时,太阳光、水分、氧气等环境因子加速了材料的老化,严重影响了重组竹物理、化学性能,限制了重组竹利用范围,缩短了重组竹使用寿命。针对重组竹户外应用时的缺陷,本文开展了户外重组竹的最适合密度和最佳热处理工艺选择研究,并结合已有的户外重组竹生产工艺,制备出高耐候性的户外重组竹;采用BTZ-1(有机紫外吸收剂,苯并三唑)、乙酸乙酯、成膜物质等物质于户外重组竹表面构建“紫外屏蔽系统”,制成耐光老化重组竹,并对其老化性能进行研究。采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、紫外-可见光(UV-Vis)分光光度计、扫描电子显微镜(SEM)、热分析仪(TGA/DSC)、质谱仪(MS)等多种先进分析仪器,研究了密度对重组竹性能影响、热处理提高耐光老化性能机理以及耐光老化重组竹耐光老化性能。所获得的主要结论如下:(1)密度对户外重组竹物理力学性能和耐光老化性能有显著的影响。重组竹密度的增加提高了力学性能和光老化时色度、表面润湿性的稳定性,同时增加了相对粗糙度和降低了尺寸稳定性。高密度对重组竹物理化学性能有利有弊,综合考虑普通户外重组竹密度为1.1 g/cm3最适合。(2)“热处理对酶解木质素性能影响”研究揭示了热处理提高木竹材料耐光老化机理。木质素热解生成的物质对紫外线吸光度降低是重组竹热处理改善其耐光老化性能的主要原因,此研究结果可以用于户外重组竹热处理工艺的选择。随着热处理温度升高和处理时间延长,木质素失重率、色差呈现增大趋势,UV-Vis吸光度呈现降低的趋势。这表明,热处理时木质素发生了明显的热化学反应,木质素发色基团的增加导致木质素热处理后可见光吸光度及色差增加。FTIR和质谱分析结果证明了热处理时大分子木质素逐渐降解为小分子化合物的过程,高温热处理(220℃)形成的木质素小分子在户外应用时易受水、热等环境因素影响而流失,因此,户外重组竹热处理温度不适合太高,本研究认为户外重组竹热处理最适合温度为200℃左右,处理时间2-4 h。(3)采用BTZ-1、乙酸乙酯、无水酒精和成膜物质于基材表面构建了“紫外屏蔽系统”(耐光老化涂层),其具有良好的紫外光(UVA和UVB)屏蔽性(≥99%)和可见光透过率(≥90%)。光老化试验表明,该系统在保护基材的同时有效降低了系统本身的老化速度。通过建模可以预测不同BTZ-1浓度和涂饰量时涂层的吸光度,通过控制BTZ-1浓度和涂饰量可以调控紫外屏蔽系统的屏蔽效果;基于上述模型可以计算有效保护基材的BTZ-1临界载药量,其值为1.82±0.05 g/m~2。(4)将UV漆型“紫外屏蔽系统”应用于户外重组竹上制备得到耐光老化重组竹,其显著地提高了加速光老化时产品的色度、光泽度、表面润湿性等性能的稳定性,耐光老化重组竹光老化后色度、光泽度值仅为对照产品的52%、53%。衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR)结果表明,耐光老化重组竹光氧化程度较对照试样明显降低。
[Abstract]:Recombinant bamboo is one of the main industrial products in the development of bamboo industry in China. With the development of large-scale beautiful China and ecological civilization construction in China, outdoor recombinant bamboo has become one of the most potential areas for development. In the outdoor application of recombinant bamboo, environmental factors such as sunlight, moisture and oxygen accelerate the aging of materials, seriously affect the physical and chemical properties of recombinant bamboo, limit the utilization range of recombinant bamboo and shorten the service life of recombinant bamboo. In this paper, the optimum density and heat treatment technology of outdoor recombinant bamboo were studied, and the weatherability of outdoor recombinant bamboo was improved by combining the existing production technology of outdoor recombinant bamboo. An ultraviolet shielding system was established to prepare the light-aging resistant recombinant bamboo and its aging properties were studied. The effects of density on the properties of the recombinant bamboo were studied by means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), ultraviolet-visible spectrophotometer (UV-Vis), scanning electron microscopy (SEM), thermal analysis (TGA/DSC), mass spectrometry (MS). The main conclusions are as follows: (1) Density has a significant effect on the physical and mechanical properties and light aging resistance of outdoor recombinant bamboo. The increase of density of recombinant bamboo improves the mechanical properties and chroma and surface wettability during light aging. High density has advantages and disadvantages on the physical and chemical properties of the bamboo. Considering the density of 1.1 g/cm 3, it is most suitable. (2) The study on the effect of heat treatment on the properties of enzymatic lignin reveals the mechanism of heat treatment improving the light aging resistance of Wood-bamboo materials. The decrease of ultraviolet absorbance is the main reason for the improvement of light aging resistance of bamboo by heat treatment. The results can be used for the selection of heat treatment process of bamboo. The results of FTIR and MS analysis showed that the lignin was gradually degraded into small molecular compounds during heat treatment, and the lignin was formed by high temperature heat treatment (220 C). Small molecule in the outdoor application is easily affected by environmental factors such as water, heat and so on. Therefore, the outdoor heat treatment temperature of recombinant bamboo is not suitable for too high. "UV shielding system" (anti-aging coating) has good UV (UVA and UVB) shielding property (> 99%) and visible light transmittance (> 90%). The photoaging test shows that the system can effectively reduce the aging rate of the system while protecting the substrate. The absorption of the coating can be predicted at different BTZ-1 concentration and coating amount by modeling. By controlling the concentration of BTZ-1 and the amount of coating, the shielding effect of the ultraviolet shielding system can be regulated. Based on the above model, the critical drug loading of BTZ-1 can be calculated with the value of 1.82.05 g/m~2. (4) The light-aging resistant recombinant bamboo was prepared by applying the UV paint-type "ultraviolet shielding system" to the outdoor recombinant bamboo. The stability of color, gloss and surface wettability of the product was improved. The gloss value of the light-aging-resistant bamboo was only 52% and 53% of that of the control bamboo. The ATR results showed that the light oxidation degree of the light-aging-resistant bamboo was obviously lower than that of the control bamboo.
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS652

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本文编号：2203485