杉木/纳米SiO2复合材料制备及性能研究

摘要

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的人工林树种之一，占有很高比例，其具有生长速度快、加工性能好、树干通直等优点，但也存在许多不可避免缺陷，如材质轻软、耐冲击性能低、强度低、耐磨性能差等，这些极大的影响了杉木的使用范围和所生产产品的质量，因此需要通过改性的方法来提高杉木的性能，改善因其速生而带来的缺陷。
　　 利用无机纳米粒子对杉木进行改性可以克服杉木的固有缺陷，提高各方面的性能，甚至可以获得一些独特的性能，这是因为无机纳米粒子具有其块体材料所不具有的独特性能，如:表面效应、小尺寸效应、量子隧道效应等。一些专家学者已进行了无机纳米粒子与木材复合的研究，取得了一定的进展和成果。
　　 基于此，本文以杉木木材为研究对象，采用纳米SiO2粒子为杉木木材改性剂，以直接浸渍注入的方法与杉木木材复合，研究了纳米SiO2粒子的改性分散、纳米SiO2粒子与杉木复合的过程和工艺参数;综合采用激光粒度分析、傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段对改性纳米SiO2粒子及与其复合后的杉木进行结构表征和性能分析，为今后进一步研究木材/无机纳米粒子复合材料提供基础。
　　 在本实验条件下进行实验主要结论有如下几点:
　　 (1)采用无水乙醇和去离子水按一定比例作为改性溶剂，硅烷偶联剂KH570作为改性剂，对纳米SiO2粒子进行改性，结果显示:当改性温度为70℃，分散浓度为3％，改性剂添加量为20％，溶液pH为4-5，前超声分散时间1h，搅拌90min，后超声分散30min，其分散的效果最好，悬浮液稳定时间可达48h;
　　 (2)通过亲油化度值测定和激光粒度检测分析可知采用上述方法改性分散后的纳米SiO2粒子平均粒径最小，通过红外光谱分析发现少量KH570已经接枝在纳米SiO2粒子的表面，通过扫描电镜观察可以看出，改性后的纳米SiO2粒子团聚体粒径很小，最小为70nm左右，而未改性的粒子，则存在大量的团聚块;
　　 (3)采用双真空法，将分散好的悬浮液直接浸渍杉木，制得的杉木/纳米SiO2复合材料，对其增重量、增重率、耐磨性能以及表面硬度进行检测分析，结果表明:当浸渍次数为2次，真空度为0.09MPa，保真空时间为100min，杉木含水率为10％时，复合改性效果最好，增重率达5.38％，耐磨性能提高达20.25％，弦面硬度提高23.96％，径面硬度提高19.61％;
　　 (4)通过傅立叶红外光谱、X射线衍射以及扫面电镜对杉木素材和复合后杉木试件检测观察分析可知，纳米SiO2粒子在杉木细胞壁、细胞腔以及空隙中内均有分布，且主要通过物理吸附在其中，至于纳米SiO2粒子与杉木中的纤维素上的羟基是否形成键合还需要做进一步的研究分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 木材-纳米复合材料研究进展

1．2．1 复合材料制备

1．2．2 复合材料性能

1．3 纳米技术在工业中的应用

1．4 杉木改性研究进展

15 本课题选题依据及意义

1．5．1 选题依据

1．5．2 选题意义

1．6 本课题研究的主要内容及技术路线

1．6．1 本课题的来源

1．6．2 主要研究内容

1．6．3 主要技术关键

1．6．4 技术路线

1．7 本章小结

第二章 纳米SiO2粒子的改性与分散研究

2．1 引言

2．2 纳米SiO2粒子的改性分散研究

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．2．3 实验方法

2．3 结果与分析

2．3．1 亲油化度测定

2．3．2 纳米粒径分析

2．3．3 红外光谱分析

2．3．4 扫描电镜分析

2．4 本章小结

第三章 杉木／纳米SiO2复合材料单因素实验制备及性能分析

3．1 引言

3．2 实验材料

3．3 实验设备

3．4 实验方法

3．5 结果与分析

3．5．1 浸渍次数对杉木性能的影响

3．5．2 杉木含水率对杉木性能的影响

3．5．3 保真空时间对杉木性能的影响

3．5．4 真空度对杉木性能的影响

3．6 本章小结

第四章 杉木／纳米SiO2复合材料正交优化制备及其性能检测

4．1 引言

4．2 实验材料

4．3 实验设备

4．4 实验方法

4．5 结果与分析

4．5．1 试验结果

4．5．2 实验结果直观分析

4．5．3 正交实验结果分析

4．5．4 正交实验结果方差分析

4．6 各因素对指标性能的影响分析

4．7 最优水平验证试验

4．8 本章小结

第五章 杉木／纳米SiO2复合材料结构及其与性能关系研究

5．1 引言

5．2 傅立叶红外光谱分析

5．2．1 原理及特点

5．2．2 实验材料、方法及仪器

5．2．3 结果分析

5．3 X射线衍射分析

5．3．1 原理与特点

5．3．2 实验材料、方法及仪器

5．3．3 结果分析

5．4 扫描电镜分析

5．4．1 原理与特点

5．4．2 实验材料、方法及仪器

5．4．3 结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 存在问题及建议

6．2．1 存在问题

6．2．2 下一步工作建议

参考文献

附录：攻读学位期间的主要学术成果

致谢