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《东北林业大学》 2004年
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木材/SiO_2气凝胶纳米复合材的研究

邱坚  
【摘要】:纳米技术及其在木材科学中的应用是近期木材科学界所关注的高新技术之一,与此相关的木材/无机质复合材成为木材功能改良研究领域中活跃的主题。本文在总结有关纳米复合材料和无机质复合木材方面的最新研究成果的基础上,首次将气凝胶概念引入到木材/无机质复合材的制备研究中。设计通过超临界干燥技术结合溶胶-凝胶法制备新型木材/SiO_2气凝胶复合材,从制备工艺学原理、SiO_2气凝胶在木材中的分布与界面状态、性能评价以及木材与SiO_2气凝胶复合的机理等方面进行了系统的研究。 以正硅酸乙酯、乙醇和水为原料,以HCI/HF为复合催化剂,通过对溶胶-凝胶反应体系各种成分的调配和条件控制制备了SiO_2溶胶体系,确定了SiO_2溶胶空细胞法浸渍处理木材工艺和超临界CO_2干燥工艺条件,所制备的木材/SiO_2气凝胶复合材中的SiO_2气凝胶是由直径约13-300 nm的SiO_2颗粒构成的连续网络结构,具有非晶态结构和低密度。对木材/SiO_2气凝胶复合材物理力学等性能评价结果表明,紫椴/SiO_2气凝胶复合材除硬度外,复合木材的顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量有一定程度的下降,而西南桤木/SiO_2气凝胶复合材各项力学指标均有较大幅度的提高。两种木材/SiO_2气凝胶复合材吸湿性改善明显,因而使复合材具有良好的尺寸稳定性,并且均具有较好的阻燃效果。 综合运用应用XRD、TEM、SEM-EDAX、FTIR、XPS以及热分析DMA/DSC/TG等现代波谱分析技术系统地研究了木材与SiO_2气凝胶复合的机理。结果表明,SiO_2气凝胶与木材有良好的结合并保持木材的空隙结构,木材与SiO_2木材与SiO_2气凝胶之间有三种结合方式,一是SiO_2气凝胶与木材纤维素上的羟基以氢键结合,二XPS中C1s谱峰较素材有很大的变化,C_3和C_4的消失。C_2含量增加,说明木材细胞壁中半纤维素和木质素的羰基参与了TEOS的缩合反应,SiO_2气凝胶与木材之间确实存在共价键连接,使木材与SiO_2气凝胶达到“分子水平”的复合,成为木材体系复合的一部分,三是SiO_2气凝胶以物理填充的形式存在于木材细胞腔中。
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