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《东北林业大学》 2011年
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利用原子转移自由基聚合方法的木材表面功能性改良

李刚  
【摘要】:木材具有吸湿性和干缩湿胀的特性,当其周围环境湿度变化时,很容易引起木材本身的变形和开裂。用疏水性的基团取代木材表面羟基基团,可以降低木材的吸湿性,减弱其因环境湿度变化而产生的变形。由于木材表面细胞壁内含有糖类和淀粉等营养物质,易于菌类的生长繁殖,引起木材的变色和腐朽,可通过在木材表面生长或负载抗菌性材料的方法,减少木材因菌类生长而产生的缺陷。原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP)是一种新颖的“活性”/可控的聚合方法。利用表面引发ATRP的方法在纤维素及天然纤维表面成功的接枝了多种聚合物。具有环境友好性和易于操作的ARGET ATRP (Activators Regenerated by Electron Transfer ATRP)工艺的发明,有利于该工艺在工业上的推广应用。本研究利用ARGET ATRP方法在木材表面接枝聚合高分子单体,对木材表面进行功能性改良,可赋予木材表面多种功能性,并可延长木材的使用寿命,扩大其应用领域。 本研究首先以3种不同接枝工艺(常规工艺、木材试件经氢氧化钠活化处理后常规工艺接枝引发剂和加热工艺)探索在木材表面接枝引发剂(2-溴异丁酰溴)的接枝效果,从中选择使用加热工艺在木材表面接枝引发剂,进而探讨了引发剂浓度、反应温度和反应时间对加热工艺接枝引发剂效果的影响并确定最佳的接枝引发剂工艺。在木材表面接枝引发剂后,利用ARGET ATRP方法在其表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)并用棕榈酰氯封端处理,由此制备疏水性木材表面;在木材表面接枝聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯(PDMAEMA),制备具有pH敏感性的木材表面;通过季铵化处理接枝到木材表面的PDMAEMA以及在木材表面接枝PAA螯合银离子后原位还原两种方法,制备具有抗菌性的木材表面。对上述几种功能性改良处理后的木材表面进行表征,结果如下: (1)利用ARGET ATRP方法在木材表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),制得疏水性的木材表面。FTIR、SEM和TGA的测定结果均表明,PMMA已成功接枝到木材表面,而且其接枝率随接枝时间的延长而增加。接触角的测定结果显示,接触角及接触角维持时间随PMMA接枝量的增加而增大。 (2)利用ARGET ATRP方法在木材表面接枝聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA),水解开环后与棕榈酰氯反应,制得疏水性木材表面。FTIR、SEM和TGA的测定结果均表明,PGMA已成功接枝到木材表面,而且棕榈酰氯成功地与开环后的PGMA发生反应。PGMA的接枝量可通过调整接枝时间进行控制。接触角的测定结果表明,通过预先在木材表面接枝PGMA然后开环与棕榈酰氯反应的方式,比木材直接与棕榈酰氯反应的方式处理效果好,所制得木材表面具有更好的疏水性。 (3)利用ARGET ATRP方法在木材表面接枝聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯(PDMAEMA),制得润湿性随pH变化的木材表面。FTIR、SEM-EDX和TGA的检测结果表明,PDMAEMA已经成功地接枝到木材表面,结合XPS结果可知,木材表面被PDMAEMA完全覆盖,覆盖深度大于XPS的测试深度。测定制得样品的接触角,当测试溶液的pH从2.21增加到13时,样品接触角的变化并不明显。增加酸性液体和碱性液体的浓度后,样品wood-PDMAEMA表面表现出不同的润湿性:亲水性(酸性液体)、疏水性(CA=128。,碱性液体)。 (4)采用卤代烷对木材表面的PDMAEMA进行季铵化处理,制得具有杀菌功能的木材表面。FTIR和SEM-EDX的检测结果表明,该方法可以成功地在木材表面制得季铵盐。以E.coli为测试菌种,采用光密度法测试制得样品的抗菌性,结果表明,制得的木材表面对E.coli具有良好的抗菌性能。 (5)利用ARGET ATRP方法在木材表面接枝聚丙烯酸叔丁酯(PtBA),然后在三氟乙酸作用下将木材表面的PtBA水解为PAA,利用PAA表面大量的羧基(-COOH)螯合银离子,然后用NaBH4原位还原,制得负载有纳米银的木材表面。EDX、面分布和XRD的检测结果表明,利用该方法成功制得负载纳米银的木材表面。抗菌性检测结果表明,该木材表面对E.coli具有良好的抗菌性能。
【学位授予单位】:东北林业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S781

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