硅铝溶胶—凝胶对重组竹物理力学性能影响的研究

发布时间：2020-10-18 09:10

　　 重组竹是我国拥有自主知识产权的产品。它充分利用了我国竹材资源丰富的优点。该材料具有色泽美观、力学性能优异、材料再生及循环利用等方面的特点,越来越被大众所喜爱。材料的应用领域广泛,除了适用于室内地板、家具、户外墙板,该材料也可作为工程材料应用在桥梁建设、风力发电叶片等方面。因为竹材纤维本身的主要组成是由有机物质构成,其中包含各种高分子营养成分,例如淀粉、蛋白质等。这些成分的存在使竹材细胞携带羟基的数量多。由于游离羟基的存在,重组竹的吸湿性大、吸水厚度膨胀率高,最终转化为产品尺寸稳定性差,这极大的降低了材料的应用价值。本文针对重组竹耐水性能差的缺陷,选取硫酸铝和硅酸钠两种无机物质,通过溶胶-凝胶法获得重组竹复合材料改性用硅铝溶胶-凝胶。本文主要对重组竹制备工艺、硅铝无机物质在重组竹材料中的分布情况、无机添加剂与竹材纤维的界面结合情况和性能改性等方面进行系统研究。首先选用单因素试验的方法讨论重组竹用硅铝溶胶-凝胶的制备工艺。主要考察硅铝摩尔比和聚硅酸活化pH值两因素的影响。试验得到重组竹用硅铝溶胶-凝胶的最优制备工艺:硅铝摩尔比为11.5:1、聚硅酸活化pH值为6.0。此时,重组竹的水平剪切强度为15.1 MPa,静曲强度为120.7 MPa,弹性模量为13.8 GPa。使用响应面法优化热压工艺,得到硅铝无机组分改性设计厚度为18 mm的重组竹最优制备工艺参数:硅铝摩尔比为11.5:1、热压时间为1.33 min/mm、热压温度为165℃。在此条件下重组竹弹性模量为14.3 GPa,静曲强度为125 MPa,28 h循环水煮试验的吸水厚度膨胀率为1.53 ± 0.20%。对硅铝无机物改性重组竹材的复合机理进行系统的分析。选用SEM、XPS、FTIR及热分析等分析方法对重组竹材的微观结构、硅铝元素在重组竹材表面的分布情况、重组竹材官能团种类及板材的热稳定性进行探索。检测结果证实在硅铝溶胶-凝胶改性重组竹材中存在A1-0-C及Si-0-C键。硅氧键和铝氧键作用竹材,发生硅铝/重组竹有机无机杂化反应。化学键增强了硅铝无机物质与纤维的结合,提高了重组竹的力学性能。扫描电镜试验结果表明经过改性的重组竹材纤维表面存在膜结构,该结构在重组竹材表面形成较完整的三维网状形态,硅铝无机物质是不溶于水的成分,对竹材纤维产生包裹作用,隔绝了纤维对水的吸收,从而改善了重组竹的尺寸稳定性。热重分析结果显示改性后的重组竹材的热稳定性得到有效提高。材料的物理力学性能受外界环境影响小,使用寿命得到有效提高。硅铝溶胶-凝胶与竹材纤维存在三种结合方式,第一种是硅铝溶胶-凝胶包含数量较多的羟基,通过氢键与竹材纤维结合,第二种是硅铝溶胶-凝胶填充在竹材纤维细胞壁内外,对纤维形成“永久性”的物理包裹,第三种是竹材纤维与硅铝溶胶-凝胶发生化学反应,以A1-0-C及Si-O-C键的方式连接。无机改性剂与竹材纤维的界面连接作用显著,两者的相互作用强。
【学位单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S781.9
【部分图文】：

ｈ＊ｆ＊?Ｈ＊??图１－１胶态颗粒形成示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃｏｌｌｏｉｄａｌ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ??ｈ＼ａ?丨＇，娜，??＿叫乂、阿??Ｎ＾／?Ｈ??ＯＨ?Ｈ?ＯＨ?Ｈ?Ｈ?Ｈ?Ｈ?ＯＨ?Ｈ?ＯＨ??一?价ＶＷ＇ｌｆｆ??ＬＹ?Ｙ?Ｙ?ＶＬＶＬＶ??图１－２硅铝结合示意图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃａｔｅ?ａｎｄ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｃｏｍｐｏｕｎｄ??１．３．２桂错无机物改善木质材料性能的研究现状??汪亮等［４１］利用自然界广泛存在的蒙脱土（层状硅酸无机盐）为基础，制备??有机－无机复合处理剂。通过蒙脱土的纳米效应，将处理剂注入杨木纤维细胞中，??以改善其力学性能、防霉变能力、耐腐性。试验结果证实，处理剂附着在纤维导??管腔内。处理后的杨木的抗压强度提高了?２７％。白腐菌作用下，蒙脱土处理的木??材的失重率仅为１．５％，对照样则为８．８％。研宄发现，作为高岭土的主要成分，??蒙脱土表面含有数量极多的羟基，极易与竹材纤维发生反应，形成化学连接，如??式１－１所示。??８??

图２－２聚硅酸、硫酸铝和硅铝溶胶的ＦＴ?ＩＲ谱图??Ｆｉｇ，?２－３?ＦＴＩＲ?ｐｒｏｆｉｌｅｓ?ｏｆ?ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｉｃ?ａｃｉｄ，?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｓｕｌｆａｔｅ?ａｎｄ?Ｓｉ－Ａｌ?ｓｏｌ??图２－２是我们制备硅铝溶胶的原料聚硅酸和硫酸铝及硅铝溶胶的ＦＴＩＲ谱图。??位于３４００?ｃｍ－１附近和１６３５?ｃｍ－１附近的峰归属于－ＯＨ的伸缩和弯曲振动。这是因??为在硅铝溶胶中不仅存在Ｈ２０，同时还有大量的Ｓｉ－ＯＨ键和Ａ１－ＯＨ键的存在。??在Ａｈ（Ｓ〇４）３谱图中，９３６?ｃｍ－１是Ａ１－０－Ａ１吸收峰，６０１?ｃｍ－１附近是Ａ１－ＯＨ吸收峰。??在聚硅酸的谱图中，８００?ｃｎＴ１和４５６?ｃｍ－１的吸收峰是Ｓｉ－０－Ｓｉ和Ｓｉ－ＯＨ键的体现。??在硅铝溶胶的谱图中，１０６８?ｃｎＴ１处的峰可能是Ｓｉ－０－Ａｌ或Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ的吸收峰。??８００?ｃｒｒｆ１是Ｓｉ－０－Ｓｉ的吸收峰。通过对比Ａｈ（Ｓ〇４）３的ＦＴＩＲ，可以发现硅铝溶胶在??９３６?ｃｍ－１处的峰强度减弱了，Ａ１－ＯＨ与Ｓｉ－ＯＨ发生脱水缩合反应，得到Ｓｉ－０－Ａｌ??结构。１６３５?ｃｍ－１附近吸收峰减弱，是因为硅铝发生反应［４３］。??１６??

?２．２Ａ２粒径大小分析??图２－３为硅铝溶胶－凝胶的粒径大小。从图中，我们可以发现硅铝溶胶－凝胶??的粒径大小分布的范围主要是３－２０?ｐｍ。最大粒径是２３．５１—，比表面积为??３０３．２８?ｍ２／ｋｇ。竹材纤维属于多孔材料，纤维的细胞壁上存在纹孔，这些纹孔的??尺寸一般在０．１－５．０陣范围。通过图２－３中累积线，我们可以发现。硅铝溶胶－??凝胶尺寸小于或等于５．２５?ｐｍ的占据１６．８７％，这说明溶胶－凝胶物质不仅能够吸??附在竹材纤维的表面，还能够通过细胞壁中纹孔渗透进入细胞腔中。??１０?Ｉ?１?ｉ???ｊ?￣???１００??８?－?｜?｜?１００％??１６．８７％??ｏ?ｉ?１７＾－—－?ｏ??．?Ｉ?．?？?．?？?．?ｉｆ?？?．??０?５?１０?１５?２０?２５?３０??粒径〇ｉｍ）??图２－３硅铝溶胶－凝胶粒径大小??Ｆｉｇ．?２－３?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｓｉｚｅ?ｏｆ?Ｓｉ－Ａｌ?ｓｏｌ－ｇｅｌ??２．?３娃锅溶胶－凝胶改性重组竹的制备??２．３．１试验原料??试验所用原料如下：??炭化竹束和酚醛树脂胶由浙江大庄实业集团股份有限公司提供。??硅铝溶胶（自制）固含量为５０％，粘度为１１０?ｍＰａ＇ｓ，使用前须使固含量降??至?３０％。??酚醛树脂胶的固含量为５５％，粘度约为５０?ｍＰａ’ｓ，固含量降到３０％后用于??
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本文编号：2846103