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纳米碳酸钙/速生杨木复合材料及制作建筑模板的研究

贾贞  
【摘要】:无机纳米材料技术的发展,为木材的功能性改良复合技术开辟了新的发展空间和新的机遇。采用无机纳米材料改良低质木材,在保留其良好的外观视觉和加工特性等固有性能的同时,赋予木材新的优异功能,如提高耐磨性、硬度、刚度等物理力学强度,可提高低质木材的利用率和应用领域。基于上述想法,本文提出将纳米材料粉末借助于高分子材料等载体通过真空加压浸注方法浸注到速生杨木中,发挥纳米材料的优异性能(借助于高分子材料的固化起作用),改善速生杨木的性能的研究思路和方法。本研究充分利用纳米材料碳酸钙优质性能——成本低、性能优、无毒无味,优质填料,补强剂作用和速生杨木材料来源的优势,研制开发以速生杨木为基体,以纳米碳酸钙为填料,借助酚醛树脂有机体制备新型的木材无机纳米复合材料,并尝试用此复合材料制作应用广泛的建筑模板。主要研究内容和结果如下: (1)以自制的水溶性热固性酚醛树脂胶黏剂(PF)为复合中间介质,利用氯化钙与碳酸铵溶液发生复分解反应,制得酚醛树脂(PF)-纳米碳酸钙(CaCO3)预聚体,通过真空加压浸渍到速生杨木中,制备纳米碳酸钙/速生杨木复合材。通过加入复分解反应时间实验,发现随着时间的延后,PF-CaCO3预聚体的稳定性逐渐增强,碳酸钙的颗粒随之变小经试验确定在酚醛树脂体系中较佳加入时间为160min后加入氯化钙和碳酸氨溶液。通过对PF-CaCO3预聚体进行透射电镜(TEM)和电子扫描电镜(SEM)观测、能谱(EDXA)分析、红外光谱(FTIR)分析、差示扫描量热/热失重(DSC/TG)分析等研究探索,可以得出加入3%CaCl2、4.5%(NH4)2CO3溶液占酚醛树脂总量的1%的试样胶体,浸渍单板的浸注效果明显,生成的碳酸钙为纳米级,立方形,热稳定性高。随着CaCl2溶液浓度的增加,纳米碳酸钙粉末径级随之增大并增多、析出并团聚,对PF-CaCO3预聚体浸注细胞腔有一定的抑制作用,进而会影响浸注单板的硬度、增重率等各方面性能。 (2)采用复分解法(碳酸铵与氯化钙反应)经过添加改性剂可以制备出平均直径为50nm左右的立方形纳米碳酸钙,添加剂为十二烷基二甲基甜菜碱。通过实验发现甜菜碱在制备纳米碳酸钙过程于中反应初期可提高结晶速度,抑制晶体的异向生长,控制晶体生长的方向,于后期又可抑制生成物的形貌和粒径,对碳酸钙粉末表面进行修饰,从而改变碳酸钙的表面性质。制备纳米碳酸钙的优化工艺参数为:250ml、0.3mol/L的氯化钙溶液,加入2.5ml甜菜碱,经过搅拌,再加入同摩尔质量的碳酸铵溶液,再抽滤、水洗,最后干燥。 (3)采用溶胶-凝胶法制备纳米碳酸钙/速生杨木复合材料。将(2)中制得的纳米碳酸钙和载体——自制的酚醛树脂胶黏剂溶合在一起真空加压浸注速生杨木单板。通过样品表征分析,发现随着甜菜碱添加量的增大,碳酸钙的粒径明显降低,进而增加了其在溶剂中的分散性,由此制得的材料热稳定性好,优于没有加入甜菜碱的复合材料。实验结果表明,加入2.5ml甜菜碱溶胶效果好,透明、均匀;在杨木单板体系中形成大量的凝胶,并与木材产生氢键结合,浸渍杨木单板效果明显,增重率达到148%、硬度等物理学性能最好。 (4)采用扩散法制备碳酸钙/速生杨木无机复合材。优化工艺为添加CaCl2溶液质量百分比为5%,(NH4)2C03溶液质量百分比为7%,十二烷基二甲基甜菜碱的添加量为0.5%,通过真空加压浸渍制备。加工工艺简单,能够保留原木材的优异性能(环境学特性、视觉特性),添加量较少,所以生成的碳酸钙较少,进而杨木单板的增重率较低,浸注效果良好,具有疏水性,而邵氏硬度却较杨木素单板明显提高,说明无机质碳酸钙的空隙填充增加了杨木单板的硬度,实现了优化低质杨木木材的目的。 (5)用以上(2)、(3)、(4)所述三种复合材料制备方法进行了制备建筑模板的研究。根据GB/T17656-2010国家标准来检测制备得到的建筑模板的物理力学性能,三种复合材料均达到并超过国家标准。优化工艺为:热压压力为3MPa,热压时间为12min,分段式热压进行,热压温度为140℃。PF-CaCO3预聚体浸渍杨木单板制备的建筑模板的静曲强度(106.39Mpa)、内结合强度(1.6Mpa)优于其他两种方法,扩散法复合建筑模板的弹性模量(10.34Gpa)、吸水厚度膨胀率(2.19%)相对较好。通过差示扫描量热/热失重(DSC/TG)分析,复合建筑模板热稳定性按优劣排序为PF-CaCO3预聚体法、扩散法,溶胶-凝胶法。综合比较,PF-CaCO3预聚体浸渍杨木单板制备的建筑模板在性能、加工工艺等方面优于其他两种方法。


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