论文部分内容阅读
为提高速生杨木尺寸稳定性、疏水性及力学性能,拓展其使用范围,本研究首先以乙二醛为基本改性体、乙二醇为改性剂,在过硫酸铵[(NH4)2S2O8]的催化作用下对速生杨木进行改性处理,以尺寸稳定性、吸水率、流失率等为评价指标,优化了改性工艺,探讨了催化及改性机理:为改善乙二醛改性木材力学强度下降和疏水性较差等问题,以尿素、三聚氰胺、烷基烯酮二聚体(AKD)为共缩聚单体/复合改性剂,对杨木进行了改性处理,采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电镜(SEM)、热重分析仪(TG)、热机械力学分析仪(DMA)及核磁(13C-NMR)等对改性杨木结构、性能及增强机理进行解析;为进一步解明乙二醛及AKD改性木材的机理,以微纤化纤维素(MFC)为研究对象,采用13C-NMR和FT-IR分析,研究了改性前后MFC官能团变化,探讨了改性机理。论文主要研究结果如下:(1)(NH4)2S2O8 为乙二醛改性速生杨木的有效催化剂,改性后杨木尺寸稳定性明显提高,且乙二醇的引入能进一步增强改性效果。当乙二醛浓度为20%,固化温度为120℃,乙二醇/乙二醛摩尔比为1/2,(NH4)2S2O8用量2%时,改性杨木ASE达72.5%,24-h吸水率为38.7%。(NH4)2S2O8的高催化活性主要来源于NH4+离子对乙二醛的质子化,并诱导其自缩聚反应,而S2O82-的强氧化作用对催化效果有促进作用。尺寸稳定性的提高主要来自乙二醛与木材的交联以及乙二醛/乙二醇树脂对细胞壁的充胀作用。(2)尿素-乙二醛(UG)树脂能明显改善单独乙二醛改性木材的脆性,添加纳米二氧化硅可进一步提高木材的力学性能。相对于乙二醛改性木材,UG树脂改性木材抗弯强度(MOR)提高了 33.5%,抗弯弹性模量(MOE)提高10%。力学强度的改善主要是因为尿素的引入增加了乙二醛与木材之间的交联链长,减缓了改性木材的脆性。相比于UG树脂改性木材,添加0.5%二氧化硅后,改性木材力学性能进一步提高,MOR、MOE、CS和硬度分别增加了 25.3%,19.6%,18.6%和8.6%。可能机理是纳米二氧化硅能够分散和传递应力,减少应力集中,进而提高改性木材力学性能。(3)三聚氰胺-乙二醛(MG)树脂不仅能赋予木材良好的力学性能,同时还能提高耐水性。相对于未改性木材,当乙二醛/三聚氰胺摩尔比为10/1时,改性木材MOE、CS和端面硬度分别提高27.6%、34.5%和37.6%,吸水率下降46.1%,24-h抗流失率高达95%。改性木材力学性能和耐水性能的改善,主要来源于两个方面:一是MG树脂对木材细胞壁和细胞腔的填充作用,固化树脂强度和硬度较高、耐水性好;二是MG树脂分子上活性羟基以及乙二醛低聚物对木材细胞壁的交联作用。(4)AKD/乙二醛复合改性,能赋予木材良好的尺寸稳定性和疏水性。经AKD表面处理后乙二醛改性木材接触角接近150°。同时,改性木材经水浸泡、三氯甲烷抽提及酸浸渍处理后,接触角仍然大于140°,表明其疏水性能具有良好的耐水耐溶剂腐蚀性。(5)乙二醛及AKD改性对MFC的结构影响甚微。乙二醛改性MFC时,主要是醛基和MFC上的羟基发生交联反应,形成半缩醛及缩醛;AKD改性则是通过AKD的开环作用,与纤维素上的羟基发生酯化反应。