2023年脲醛树脂与纳米二氧化硅复合改善木材性能的研究.docx

脲醛树脂与纳米二氧化硅复合改善木材性能的研究 2023-09-10 13:45:28| 分类： 板材增强工艺 | 标签： |字号大中小 订阅 时尽书　李建章　周文瑞　张德荣 (北京林业大学材料科学与技术学院) :为提高三倍体毛白杨木材的多项性能,该研究以脲醛(UF)树脂和纳米SiO2为主要改性剂,并使用偶联剂和阻燃剂,制成5种木材处理剂,利用减压—加压的方法浸渍处理杨木,并通过加热使处理剂在木材中固化,制成UF--SiO2--Wood复合材料.以尺寸稳定性、阻燃性、抗吸水性和硬度作为主要指标对复合材料的性能进行评价,考察了处理剂对杨木性能的影响.结果说明,此5种处理剂均能提高木材的抗吸水性、阻燃性,并显著提高了木材的硬度,纳米SiO2的添加对木材硬度的提高有显著作用;除UF--C--SiO2共缩聚物外,其他4种处理剂均不同程度地提高了木材的尺寸稳定性.UF与纳米SiO2复合处理杨木可以提高杨木的综合性能. 关键词:木材改性,脲醛树脂,纳米SiO2,三倍体毛白杨 中图分类号:S781·43　　文献标识码:A　　文章编号:1000--1522(2023)02--0123—06 SHI Jin-shu;LI Jian-zhang;ZHOU Wen-rui;ZHANG De-rong.Improvement of wood properties by urea-formaldehyde resin and nano-SiO2.Journal of Beijing Forestry University(2023)28(2) 123--128 [Ch, 35ref.] College of Material Science and Technology,Beijing ForestryUniversity,100083,P.R.China. In order to improve properties of triploid clones ofPopulus tomentosa, urea-formaldehyde (UF) resinwas compoundedwith nano-SiO2, coupling agents and flame retardants in different ways to prepare five kinds of modifiers. The poplarwood sampleswere impregnated with the modifiers and heated to prepare UF-SiO2-wood composites. The antiswelling efficiency, oxygen index, and hardness ofthe compositeswere measured. Results showed that all of the modifiers reducedwater absorption of poplarwood and enhanced its flame resistance and hardness. Nano-SiO2showed a marked effect in improving the hardness of wood. In addition, all of the modifiers exceptUF-C-SiO2-polymer could improve the dimensional stability of poplarwood. The compound of UF resin and nano-SiO2could improve general properties of poplarwood. Key words　wood modification,UF resin,nano-SiO2,triploid clones ofPopulus tomentosa 实现木材(尤其是低劣质木材)的高性能化、充分利用低劣质木材、提高木材资源的利用率已经成为许多国家的共识[1].杨树是我国重要的速生树种之一.为充分利用杨木资源,缓解木材的供需矛盾,迫切需要开展杨树木材高性能化的研究.应用木材改进技术正是解决此问题的有效途径之一[2]. 木材改性一直受到世界各国研究者的重视.Saka等人[3--8]利用溶胶--凝胶法制备了无机木质复合材料,提高了木材的尺寸稳定性和阻燃性.Takeshi等人[9--11]以水玻璃为主要无机改性剂处理木材,提高了木材的阻燃性、耐腐性和尺寸稳定性,但降低了木材的力学性能和抗吸湿性.Yamaguchi[12--13]用硅酸钠溶液通过阳离子交换法制备了硅酸单体溶液,并在硅溶胶中添加磷酸制成一定pH值的溶液,用该溶液浸渍处理木材,改善了木材的抗弯强度和尺寸稳定性.Fumie等[14]通过溶胶--凝胶法处理日本扁柏木材并参加抗微生物药剂,制备了抗菌性较高的SiO2/木材无机木质复合材料.李建章等[15]分别用乙酸酐和丙酸酐对木材进行乙酰化和丙酰化处理,然后再用水玻璃处理乙酰化木材和丙酰化木材,制备了具有优良尺寸稳定性和一定阻燃性的乙酰化--SiO2--木材复合材和丙酰化--SiO2--木材复合材.钱俊[16]等人用UF树脂浸渍并热压杉木,提高了杉木的力学强度.沈晓玲[17]等人用天然有机物处理杉木,提高了木材的硬度、耐磨性等性能.方桂珍等人[18]用低分子量PF树脂处理大青杨木材,提高了木材的尺寸稳定性和力学强度.Furuno等[19]用低分子量PF树脂浸渍处理日本雪松木材,提高了木材的尺寸稳定性和抗腐蚀性.王西成等[20--22]将主要成分为正硅酸乙酯的前驱体溶液注入木材,经水解、缩合反响,制成了木材--二氧化硅复合材料,具有一定的尺寸稳定性.许福等[23]用正硅酸乙酯、钛酸丁酯等作为改性木材的前驱体改性木材,提出了改善木材渗透性能,提高木材硬度的改性方法. 这些研究均改善了木材的局部性能,但不能全面提高木材的综合性能,甚至损害木材的某些优点. 纳米材料和纳米技术在很多行业得到了成功应用,例如纳米材料极大地提高了涂料的耐磨性和自清洁功能等.在纳米二氧化硅与脲醛树脂的复合方面,有报道[24]称,用纳米二氧化硅改性脲醛树脂,可以提高树脂的胶合强度,并降低游离甲醛释放量.通过适宜的方法把纳米材料与低劣质木材复合有可能提高木材的外表硬度、耐磨性等性能,从而扩大低劣质木材的应用范围[25]. 1　材料与方法 1·1　材　料 杨木试件:10年生三倍体毛白杨(triploid clones of Populus tomentosa)的边材,试件尺寸见表1.尿素(工业品)、甲醛溶液(37%),纳米SiO2(南京海泰纳米公司,型号:HTSi01)、氯化铵(分析纯)、六次甲基四胺(化学纯)、偶联剂KH550(分析纯)、阻燃剂(P--N--B系列,自制)、盐酸溶液(1 mol/L,自配)、乙酸溶液(36%,分析纯)、氨水(25%,自配)、氢氧化钠溶液(30%,自配). 表1　试件尺寸 1·2　方　法 1·2·1　脲醛树脂的合成 按照传统的碱—酸—碱工艺合成(尿素∶甲醛的摩尔比为1∶1·15).性能指标为,外观:乳白色粘液;粘度:16·5MPa·s;固体含量:56·4%;固化时间:150 s;pH值:7·1;游离甲醛含量:0.10%. 1·2·2　UF--C--SiO2共缩聚物的合成 纳米SiO2预先用0·15倍的KH550偶联剂处理.在脲醛树脂合成进行到酸性阶段时参加被处理过的纳米SiO2,之后按传统的脲醛树脂的合成工艺进行反响(尿素∶甲醛∶纳米SiO2的摩尔比为1∶1·15∶0·13).性能指标为,外观:乳白色粘液;粘度:15·0MPa·s;固体含量:41·8%;固化时间:105 s;pH值:7·3;游离甲醛含量:0·12%. 1·2·3　UF--C--SiO2共混物的合成 将1·2·1制备的脲醛树脂和被处理过的纳米SiO2混合(UF与纳米SiO2的质量比为100∶0·5),高速搅拌10 min. 1·2·4　UF--SiO2共混物的合成 将1·2·1制备好的脲醛树脂与未处理的纳米SiO2混合(UF与纳米SiO2的质量比为100∶0·5),高速搅拌10 min. 1·2·5　UF--R--SiO2共混物的合成 在1·2·4制备的UF--SiO2共混物中参加20%的阻燃剂,搅拌. 1·2·6　试件处理方法 各种处理剂使用前均参加固化剂氯化铵(氯化铵质量为树脂质量的1%).试件处理方法为:将烘至绝干并称重后的试件浸没于处理剂中,5个试件为一组.减压至0·02MPa,保持30 min,再恢复至常压,保持6 h.重复减压—常压一次.将试件外表拭干,在120℃下加热30min. 1·2·7　检测与计算方法 将试件1浸没于水中,减压至0·02 MPa,保持30 min;恢复常压,保持24 h.再在鼓风枯燥箱中,105℃条件下将试件烘24 h,用于检测指标①~⑤. ①质量增加率WPG=G2-G1G1×100% (1)式中,WPG为质量增加率,%;G1为试件的绝干质量,g;G2为试件被处理后的绝干质量,g. ②尺寸稳定性ASE=ΔV0-ΔVΔV0×100% (2)式中,ASE为尺寸稳定性,%;ΔV为被处理试件的体积增加率,%;ΔV0为未处理试件的体积增加率,%;ΔV=V3-V2V2×100%;ΔV0=V′-V0V0×100%;V2为试件被处理后绝干时的体积,mm3;V3为试件被处理后在饱和水时的体积,mm3;V0为未处理试件绝干时的体积,mm3;V′为未处理试件在饱和水时的体积,mm3. ③体积膨胀率B=V2-V1V1×100% (3)式中,B为体积膨胀率,%;V1为试件被处理前绝干时的体积,mm3.④流失率L=G2-G4G2-G1×100% (4)式中,L为流失率,%;G4为被处理试件经过水浸泡后的绝干重量,g. ⑤抗吸水性RWA=ΔG0-ΔGΔG0×100% (5)式中,RWA为抗吸水率,%;ΔG0=G′-G0G0×100%;ΔG=G3-G2G2×100%;G0为未处理试件的绝干质量,g;G3为试件被处理后在饱和水时的质量,g;G,为未处理试件在饱和水时的质量,g. ⑥外表硬度(H)试验检测参考GB1941—1991,用试件2做试验. ⑦氧指数(OI)是指试材能维持燃烧所需的最低氧气浓度.氧指数越大,试材的阻燃性越好,反之,试材的阻燃性越差.氧指数试验检测参考GB7911·6—87[27],用试件3做试验. 2　结果与分析 2·1　质量增加率 被处理木材的质量增加率与处理剂的关系见图1. 图1　处理剂对试件质量增加率的影响 从图1可以看出,各组试件的质量增加率相差不大.这说明纳米SiO2、阻燃剂和偶联剂的添加对木材的质量增加率影响不大.由于纳米SiO2的用量很少,对UF树脂的粘度没有明显影响.因此,在脲醛树脂中混入少量纳米SiO2,并不影响脲醛树脂向木材中的浸注量. 2·2　尺寸稳定性与体积膨胀率 被处理木材的尺寸稳定性和体积膨胀率与处理剂的关系见图2、3. 图2　处理剂对试件尺寸稳定性的影响 图3　处理剂对试件体积膨胀率的影响 从图2可以看出,与未处理试件的尺寸稳定性(ASE=0)相比,除了用UF--C--SiO2共缩聚物处理的试件外,其他各组试件的尺寸稳定性均有提高.图3那么说明,除了用UF--C--SiO2共缩聚物处理的试件外,其他各组试件均有一定的体积膨胀率.木材的尺寸稳定性之所以提高,是由于处理剂渗入了木材细胞壁的无定型区,使细胞壁内纤丝间、微纤丝间距离增大,从而使木材体积预膨胀,木材再吸水后体积膨胀的幅度较小,从而呈现出一定的尺寸稳定性.这种“体积效应〞对尺寸稳定性的提高起主要作用[28]. 许多研究者一致认为,树脂的分子量影响树脂向木材细胞壁中的渗透,进而影响木材尺寸稳定性等性能的提