葡萄糖-尿素-三聚氰胺树脂/硅酸钠改性杨木制备及性能研究

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中国已全面实施天然林保护工程,人工林面积稳居世界第一。目前木材进出口国际贸易受到了严格限制,人工林木材已成为我国木材工业的主要用材,在平衡木材供需矛盾中起到了极大作用。然而,人工林木材因强度低、易开裂变形、材质变异性大等问题,较多应用于造纸、人造板等低附加值领域,应用范围受限。通过绿色环保的木材改性技术,有效提高了速生木材的尺寸稳定性、力学强度、阻燃性等性能,对人工林资源的高效利用具有重要意义。葡萄糖是一种天然生物质资源,绿色、环保且化学可塑性强,本研究以葡萄糖为主要原料代替甲醛合成葡萄糖-尿素-三聚氰胺(MUG)树脂,与无机硅酸钠复合后,加入有机助剂进行杂化,再对人工林杨木(Populus tomentosa Carr)进行浸渍改性,分别测试了改性材的密度、强度、尺寸稳定性和热稳定性等性能,并初步探讨了其改性机理。主要研究结果和结论如下:(1)制备的MUG树脂,其红外谱图在1552 cm-1、1421 cm-1处出现了氨基树脂特征峰(亚氨基),树脂溶液均一、稳定、粘度低、储存期长,能对杨木进行有效渗透,使其密度增大,抗胀缩率增大,强度明显提高,改性材的力学性能和尺寸稳定性提升明显。(2)MUG树脂合成过程中,随着葡萄糖加入量增多,树脂在1667 cm-1附近的酰胺羰基峰、在1630 cm-1附近的酰胺N-H键弯曲振动峰均变小,在1552 cm-1、1421 cm-1附近的氨基树脂特征峰(亚氨基)、在770 cm-1附近的呋喃环特征峰增强。当葡萄糖摩尔比增大至8以上时,以上基团的吸收峰强度无明显变化,故MUG树脂合成的葡萄糖优化加入量为8摩尔比。(3)将优化制备的MUG树脂与不同质量的硅酸钠复配,随树脂含量增多,改性剂粘度增大,p H值降低,改性材的吸水率减小。经树脂含量为20%、硅酸钠含量为10%的复配溶液处理后的G20S10改性材,其增重率、增容率最大,分别为61.5%、8.01%;与素材相比,其密度提高了60.9%,浸水144h时的吸水率下降35.4%,其径向、弦向、体积抗胀缩率分别为60.81%、34.20%、51.87%。MUG树脂与硅酸钠复配,能有效抑制硅酸钠改性材的皱缩,显著降低其吸湿性,提升其尺寸稳定性。(4)将优化制备的G20S10复配溶液进行硅烷杂化,可进一步提高处理材性能。经硅烷杂化后的复合改性剂制备的GST复合改性材,密度和尺寸稳定性进一步提高,其径向、弦向、体积湿胀率分别降低了7.46%、17.80%、11.83%。与素材相比,GST复合改性材的密度提高61.5%,吸水率下降了40.85%,其MOE、MOR和CS分别提高61.2%、52.5%和107.1%,其径向、弦向、体积抗胀缩率分别为63.71%、45.90%、57.54%,色泽优良,与金丝楠木、黄杨木等高档木材的颜色相近,装饰性良好。(5)通过SEM、FTIR、XPS、MCC等仪器分析改性材的微观形貌、化学成分等,结果表明,GST复合改性剂对木材填充密实,改性材中出现了MUG树脂特征峰,以及Si-O-Si和Si-O-C结构,改性材的C1增多、C3减少,表明木材的多糖类物质、木质素醇羟基、酚羟基以及羰基等活性基团与改性剂发生反应,减少了羰基等亲水性基团;改性材相对结晶度提高;改性材在热解过程中的质量损失速率明显下降,其热释放能力、热释放速率峰值及总热释放量,分别较素材下降了65.7%、66.1%和6.42%以上,减缓了火灾危险性。复合改性剂通过物理填充和化学交联有效改善了木材的综合性能。
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