木材表面氢氧化铝薄膜的低温水热生成及性能研究

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基于材料表面工程学的思想,把纳米材料应用到木材表面的功能性改良中,不仅可以改善木材本身的性能,还可以将纳米粒子的特性赋予木材表面,使木材的性能提高或具有一些新性能。水热法是一种功能可控的纳米材料合成方法,利用其在木材、竹材等表面成功生长了多种微纳米粒子,明显改善材料的综合性能。本论文利用水热法在木材表面合成Al(OH)3覆层,旨在改善木材的热力学性能及其易燃的特性。采用X射线光电子能谱分析了处理前后试材的表面元素含量、化学结合状态的变化;应用扫描电镜研究了水热温度、处理时间、水热溶剂、铝源、前驱体浓度,对木材表面生长Al(OH)3颗粒的形貌、粒径以及生长量的影响;并且应用了紫外老化仪、动态热机械分析仪、热重分析仪、锥形量热仪、氧指数仪,重点分析了处理前后试材的抗光变色性能、动态热机械性能、热失重和燃烧性能。通过探索各种试验因素对木材性能的影响,最终确定了较佳的工艺条件。主要结论如下:(1)采用水热法在木材表面生长Al(OH)3覆层,利用X射线光电子能谱分析可知,木材表面成功地生长了A1元素化合物,再结合O元素的吸收能谱,综合推断出木材表面生成了Al(OH)3结构。(2)改变水热反应时间、温度、水热反应溶剂、铝源、前驱体浓度,木材表面Al(OH)3的形貌、结构以及生长量都会发生相应的变化。综合考虑各种因素的影响,得出的最佳工艺条件是水热100℃、8h和120℃、6h。在此条件下,处理材宏视下与素材差异不大,表面生长的Al(OH)3以亚微米级的球粒为主,可进一步生长融合以及转变成片状薄水铝石结构。(3)对木材进行紫外老化试验后结果说明,经480h的紫外光照射后,与素材相比,水热100℃、8h的处理材明度变化不明显,红绿指数与黄蓝指数变化都与素材相似,但整体变化要小于素材;水热120℃、6h的处理材较素材明度提高,而红绿指数与黄蓝指数变化与水热100℃、8h的处理材相似,但是变化幅度显著降低。总体上,处理材较素材抗光变色能力提高了3倍,说明处理材的光稳定性显著增强。(4)对覆有Al(OH)3膜层的木材进行了动态热机械性能分析与热降解性能分析,结果表明:水热条件为100℃、8h,木材的储存模量提高了30%,损耗角『正切略有升高;水热条件120。C、6h,木材的储存模量相比素材变化不大,但是损耗角正切并没有升高,所以这两个条件是木材表面Al(OH)3覆层生长的最佳工艺,从而证明了在木材表面生长Al(OH)3薄膜,可以提高木材的弹性模量。(5)对木材进行了极限氧指数分析,可知表面覆盖Al(OH)3膜层的木材氧指数都有所提高,综合SEM等其他试验结果,得出水热条件100℃、8h与120℃、6h为较佳的工艺条件。(6)采用锥形量热仪分析木材的阻燃性能,由结果可知,经水热条件100℃、8h和120℃、6h的处理材相比素材,其热释放速率分别降低了51.75%、47.41%,总热释放量降低了66.71%、45.61%,总烟释放量降低了79.61%、67.96%,质量损失减少36.36%、45.45%,有效燃烧热也有所降低。因此,Al(OH)3薄膜能够提高木材的阻燃性能,其负载在木材表面可以提高木材使用的安全性。综合以上说明,经水热条件100℃、8h和120℃、6h处理后,在木材表面生长的Al(OH)3覆层,能够综合提高木材的力学性能、抗光变色性能和阻燃性能。
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