您现在的位置 : 木材网 > 主题 > 正文
木材/二氧化硅复合材料的结构特性
木材科学 | 9144 view(s) | 2011/05/30
会议名称:中国林学会木材科学分会第十次学术研讨会暨“生物质材料科学研究与高效利用”国际学术研讨会
会议时间:2005年12月2日-4日
会议地点:南宁 广西大学
报告嘉宾:符韵林 北京林业大学材料科学与技术学院在读博士
报告录音:木材/二氧化硅复合材料的结构特性



摘 要:为弄清木材/二氧化硅复合材料的结构特性,通过固体膨胀率与增重率的关系、吸湿处理、XRD、SEM及EDAX分析该复合材料的微观构造,通过应力松驰分析木材与二氧化硅的结合方式。结果如下:(1)木材/二氧化硅复合材料的增重率与含水率成正相关。固体膨胀率与增重率成正相关。(2)尺寸变化率随着增重率的增加而减小。(3)SEM、EDAX及XRD分析表明,二氧化硅凝胶存在于木材细胞壁中。(4)应力松驰分析表明,木材与二氧化硅产生了交联结合。

关键词:溶胶-凝胶法,木材/二氧化硅复合材料,微观构造,结合方式

Abstract: In order to completely get to the bottom of the structural characteristics, it’s microstructure is researched by analyzing the relationship between solid percent swelling (SPS) and weight percent gain (WPG), moisture absorption treatment, X-ray diffract (XRD), scanning electron microscope (SEM), and energy dispersive X-ray analyzer (EDAX), while stress relaxation testing is used for analyzing bonding form. The results are as following. 1) WPG has a close positive correlation with moisture content of pretreatment wood. SPS increases with the increase of WPG. 2) Dimensional percent change has a negative correlation with the WPG during moisture absorption treatment. 3) The SEM, EDAX and XRD analysis show that the silicon dioxide locate in the cell wall of wood. 4) There are cross-linking between wood and silicon dioxide according to stress relaxation testing.

Key words: sol-gel, wood/silicon dioxide composite, microstructure, bonding form


  溶胶—凝胶法(sol-gel)是制备材料的低温湿化学合成法,具有反应温度低、反应达到分子水平上的均匀、工艺简单等优点,被广泛应用于陶瓷、玻璃、薄膜、生物材料、以及许多特殊功能材料等材料领域。近年来,溶胶—凝胶法也成为木材科学领域的研究热点。日本的S Saka & K Ogiso等最先利用溶胶—凝胶法制备了木材/二氧化硅复合材料[1~9],并研究了其阻燃性、尺寸稳定性、生物保护等性质。我国王西成[10~12]、廖秋霞[13]、陈志林[14]、邱坚[15]也用溶胶—凝胶法制备了木材/二氧化硅复合材料,并研究了其尺寸稳定性、热降解性、力学性质等。但是,这些研究大多是工艺研究,对生成的凝胶在木材中的存在部位,只是一种推测,并没能从根本上得到说明。对尺寸稳定性,只是简单的进行了测试,说明木材/二氧化硅复合材料的尺寸稳定性比未处理材有改善,却没能从根本上说明稳定性产生改变的根本原因与凝胶存在位置的关系。因此,作者旨在着重研究木材/二氧化硅复合材料的结构特性,通过固体膨胀率与增重率的关系、吸湿处理、XRD、SEM及EDAX说明二氧化硅的分布位置,通过应力松驰实验来分析木材与二氧化硅的结合方式。

1 材料与方法

1.1 试材与仪器、设备

  选用的试材为杉木,试样尺寸为,用于测定增重率、固体膨胀率及吸湿处理的尺寸为:20mm(R) 20 mm(T) 3 mm(L)。XRD测定试样为矩形薄片33 mm (R) 1.6 mm ((T) 53 mm (L)。 应力松驰为100mm(L) 12 mm(T) 1.6 mm(R)。SEM及EDAX分析采用20mm(R) 20 mm(T) 3 mm(L)的试样进一步制作符合测定要求的试样。

  使用的仪器、设备为,XRD:XRD-6000(岛津);SEM:Quanta200HV(FEI);EDAX:HITACHI(S-4300);应力松驰仪:自行研制。

1.2 实验方法

1.2.1材料制备方法

  采用溶胶—凝胶法制备木材/二氧化硅复合材料,使用正硅酸乙酯(TEOS)为陶瓷前驱体,冰醋酸(CH3COOH)为催化剂,乙醇(EtOH)为溶剂,正硅酸乙酯、乙醇及冰醋酸以1:1:0.01摩尔比混合。试样经调湿或水浸渍预处理后分两组进行化学处理,一组直接加入TEOS、CH3COOH及EtOH混合液进行化学处理,在此称为直接溶胶—凝胶法(sol-gel);另一组先经硅烷偶联剂处理,然后加入TEOS、CH3COOH及EtOH混合液进行化学处理,称为加硅烷偶联剂法(SCA-sol-gel)。TEOS、CH3COOH及EtOH混合液和硅烷偶联剂处理的时间均为10d。化学处理完成后,试样先放置5d使生成的二氧化硅陈化,然后再将其转入干燥箱中干燥,先是80℃,随后105℃,至绝干。

1.2.2固体膨胀率

  在绝干状态下测量处理前后木材的弦向、径向尺寸,其差值与处理前尺寸的比值百分比为固体膨胀率。

1.2.3 吸湿处理

  将制备好的木材/二氧化硅复合材料放在干燥器中(底部放蒸馏水)进行吸湿处理,观察其尺寸在吸湿过程中的变化,前后尺寸之差与吸湿前尺寸的比值百分比为尺寸变化率。

1.2.4 XRD检测

  将制备好的木材/二氧化硅复合材料直接用于XRD检测。

1.2.5 SEM及EDAX分析

  采用SEM观察试样二氧化硅干凝胶在各个面上的分布。采用EDAX观察硅元素的分布位置及其含量。

1.2.5 应力松驰

  将制备好的试样用自行研制的应力松驰仪进行应力松驰测定,伸长的形变为1mm,测定其经时变化应力与最初应力的比值。

2 结果与分析

2.1 含水率及增重率的影响

2.1.1含水率对增重率的影响



  从图1可见,木材/二氧化硅复合材料的增重率与含水率成正相关,随含水率的增加而增加,这是因为水在化学处理过程中起到引发剂的作用,水越多,引发越多的正硅酸乙酯进行水解、缩聚反应,最终生成的凝胶越多。但是,SCA-sol-gel制备出来的木材/二氧化硅复合材料,其增重率比直接进行溶胶—凝胶处理制得的小。

2.1.2增重率对固体膨胀率的影响



  由图2、图3可见,固体膨胀率随着增重率的增加而增加。直接溶胶-凝胶法制备的固体膨胀率与增重率基本成正相关,经硅烷偶联剂处理后再进行溶胶-凝胶处理的其增重率小于15%时,固体膨胀率随增重率的增加而增加缓慢,大于15%后增加较快。经化学处理后,产生的固体膨胀率,是由于木材内部被充填了其它物质所致,即是由于正硅酸乙酯进入木材内部发生水解,生成二氧化硅凝胶填充在木材细胞壁无定形区中的间隙,导致细胞壁尺寸的增加。增重率越大,生成的二氧化硅凝胶越多,固体膨胀率越大。弦向、径向的固体膨胀率基本相等。

  从图3、图4可见,在吸湿过程中,木材/二氧化硅复合材料的增重率与尺寸变化率呈负相关,随着增重率增大,尺寸变化率减小。这是因为生成的二氧化硅凝胶充填在木材细胞壁无定形区中,使这些区域中的羟基被屏蔽,在吸湿处理时,这些羟基不再吸附水分子而产生润胀。生成的凝胶越多,被屏蔽的羟基越多,其吸附水分子产生润胀的能力越弱。因此,随着增重率的增加,尺寸变化率逐渐变小。

  从图3、图4也看出,加入硅烷偶联剂处理而制得的木材/二氧化硅复合材料,在相同的增重率的情况下,其改善尺寸稳定性的效果更明显,且随着增重率的增加,其尺寸变化率减小的速度更明显。这是因为,加入硅烷偶联剂,偶联剂的环氧结构被破坏,与木材无定形区中的羟基发生缩聚反应,作为吸着点的羟基参与缩聚反应,木材中的吸着点将减少,其吸着量明显减少。因此,由于屏蔽效应及羟基由于参与反应而减少的双重作用,其改善尺寸稳定性的效果更明显,随着增重率的增加尺寸变化率迅速减小。

  因此,从吸湿处理现象可以推测,木材/二氧化硅复合材料中二氧化硅存在于木材细胞壁中,经硅烷偶联剂处理再进行溶胶-凝胶处理的木材与二氧化硅之间产生了化学结合。

2.2 SEM及EDAX分析

2.2.1 SEM分析



  从图5可见,二氧化硅凝胶生成在细胞空隙中。生成凝胶的量与预处理方式有关,饱水预处理材生成的凝胶最多,不管是横切面还是纵切面,其空隙已基本被生成的凝胶填满。对调湿材而言,生成的凝胶
2011/05/30