硅溶膠強(qiáng)化楊木復(fù)合材的制備與性能研究.pdf

1、木材無(wú)機(jī)質(zhì)功能性復(fù)合化制備的復(fù)合材料，具有阻燃和耐腐和天然無(wú)毒等優(yōu)良性能，且產(chǎn)品價(jià)格低廉而日益受到人們的關(guān)注，但由于其力學(xué)性能除硬度和耐磨性得到提高以外，沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量都有不同程度的降低。為此，本文以人工林楊樹(shù)木材為研究對(duì)象，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和先進(jìn)研究方法的基礎(chǔ)上，在不削弱木材多孔性結(jié)構(gòu)的前提下，以強(qiáng)化細(xì)胞壁為主要目標(biāo)開(kāi)展了硅溶膠強(qiáng)化楊木復(fù)合材的制備與性能研究，為賦予人工林楊樹(shù)木材高強(qiáng)度、高性能，拓寬其應(yīng)用

2、范圍提供技術(shù)支持，為人工林木材高效利用開(kāi)辟新的途徑，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文以人工林楊樹(shù)木材為研究對(duì)象，硅溶膠作為浸漬處理液，采用真空加壓復(fù)合工藝路線開(kāi)展強(qiáng)化低密度楊樹(shù)木材的制備及其結(jié)構(gòu)和性能的研究。論文的主要研究結(jié)論如下：
　?。?）相同工藝參數(shù)下，液壓浸漬工藝制備的復(fù)合木材其各項(xiàng)性能明顯優(yōu)于氣壓浸漬工藝制備復(fù)合木材的性能。就增重率而言，卸壓之前的抽真空處理可以有效地增加復(fù)合材的增重率，卸壓之后的真空處理對(duì)

3、增重率的影響不明顯，但可以除去處理材表面多余的浸漬液，使復(fù)合木材表面清潔又不致減少?gòu)?fù)合木材的增重率。
　?。?）滿細(xì)胞法浸漬硅溶膠可以最大程度地提高木材的增重率、抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度。研究表明，復(fù)合木材的抗彎彈性模量與增重率存在線性關(guān)系，而復(fù)合木材的抗彎強(qiáng)度與硅溶膠進(jìn)入木材內(nèi)部的位置和深度有關(guān)，簡(jiǎn)單的物理填充不改變復(fù)合木材的抗彎強(qiáng)度。
　?。?）硅溶膠浸漬處理的楊樹(shù)木材，其抗彎強(qiáng)度的平均值為87.70 MPa，抗彎彈性模量

4、的平均值為12.41 GPa，端面、弦面和徑面的硬度分別提高了34.62％，49.15%和53.45%，順紋抗壓強(qiáng)度沒(méi)有得到改善，基本保持不變或略有下降。浸漬硅溶膠處理后，木材在三個(gè)方向上都有不同程度的膨脹，弦向、徑向和縱向尺寸分別增加了1.64%、0.55%和0.80%。延長(zhǎng)前真空時(shí)間可以有效提高增重率和復(fù)合木材的力學(xué)性能，但對(duì)于木材的尺寸穩(wěn)定性有不利的影響。因此，在保證復(fù)合木材力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的前提下要縮短前真空時(shí)間。對(duì)于楊樹(shù)這樣的軟質(zhì)

5、木材，最優(yōu)的浸漬工藝參數(shù)是：前真空時(shí)間20 min，浸漬壓力1 MPa，浸漬時(shí)間30 min，后真空時(shí)間20 min。
　?。?）硅溶膠浸漬處理不會(huì)影響木材的膠合性能。復(fù)合木材的膠合強(qiáng)度和木破率與未處理材差異不大，都達(dá)到了JAS標(biāo)準(zhǔn)。熱重分析表明，復(fù)合木材較未處理材的熱穩(wěn)定性得到了改善，使得復(fù)合木材有一定的阻燃性能；并且隨著增重率的增加，燃燒后殘余物的重量隨之增加，阻燃性能也隨之提高。硅溶膠浸漬處理復(fù)合木材在弦向、徑向和縱向的尺寸

6、穩(wěn)定性都得到了改善，且其尺寸穩(wěn)定性的提高與增重率有關(guān)，改善的程度基本在25%至35%之間。潤(rùn)濕性研究指出，硅溶膠浸漬處理制備的復(fù)合木材產(chǎn)生了顯著的接觸角增大作用，表現(xiàn)出良好的表面疏水性能。
　　（5）通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察，復(fù)合木材中存在塊狀聚集的二氧化硅，其分布情況是：橫切面＞徑切面＞弦切面；且徑切面和弦切面均有SiO2薄層與細(xì)胞壁組織緊密相聯(lián)，基本保持了木材的多孔性結(jié)構(gòu)。熒光顯微鏡觀察結(jié)果表明，在橫切面上，二氧化硅主要以

7、物理填充為主；在徑切面和弦切面上，細(xì)胞壁物質(zhì)不同程度地與二氧化硅發(fā)生了化學(xué)鍵合。
　?。?）X射線能譜儀檢測(cè)指出，硅元素在木材中的分布是不均勻的，主要分布在導(dǎo)管、木纖維、木射線和胞間層中。在浸漬過(guò)程中硅溶膠可以通過(guò)物理滲透方式進(jìn)入木材內(nèi)部的空隙。研究發(fā)現(xiàn)，木纖維和射線細(xì)胞的細(xì)胞壁上均有較高含量的硅，這是因?yàn)槟纠w維和射線的細(xì)胞腔相對(duì)小，在真空加壓過(guò)程中，硅溶膠更容易進(jìn)入細(xì)胞腔相對(duì)小的木材組織。楊樹(shù)木材富含大量的紋孔，紋孔是實(shí)現(xiàn)浸漬處

8、理液橫向滲透的主要途徑，因此，紋孔的硅含量較高。纖維細(xì)胞壁上有大量的紋孔，硅溶膠可以進(jìn)入纖維中，導(dǎo)致木材纖維細(xì)胞壁上的硅濃度也較高。
　　（7）XRD衍射峰的位置沒(méi)有改變，說(shuō)明硅溶膠復(fù)合木材的晶胞參數(shù)沒(méi)有改變。紅外光譜分析表明硅溶膠聚合后的二氧化硅與木材的骨架物質(zhì)發(fā)生了作用；通過(guò)對(duì)素材和復(fù)合材的光譜圖的對(duì)比，其主要特征峰沒(méi)有明顯變化，只有復(fù)合材中的Si-O-Si反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰向高頻方向移動(dòng)，Si-O-Si的彎曲振動(dòng)也有小的位移，