【摘 要】
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橡胶木作为一种重要的经济作物,其纹理清晰,密度适中,在国外被广泛用作家具材料。竹材是一种生长速度快、强度高、加工性能优良的木质材料,属于第二大森林资源,具有极大的开发价值。两者共同特点是本身含有大量的营养物质,如糖类、淀粉、蛋白质等,在潮湿环境下易受霉菌和腐朽菌的侵害,造成霉变和腐朽等问题,这显著降低木竹材及其产品的使用寿命。其次木竹材具有干缩湿涨、易光降解的特性,对物理力学性能影响较大。这些缺陷
【基金项目】
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国家重点研发计划(2017Y FD0600803)项目;
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橡胶木作为一种重要的经济作物,其纹理清晰,密度适中,在国外被广泛用作家具材料。竹材是一种生长速度快、强度高、加工性能优良的木质材料,属于第二大森林资源,具有极大的开发价值。两者共同特点是本身含有大量的营养物质,如糖类、淀粉、蛋白质等,在潮湿环境下易受霉菌和腐朽菌的侵害,造成霉变和腐朽等问题,这显著降低木竹材及其产品的使用寿命。其次木竹材具有干缩湿涨、易光降解的特性,对物理力学性能影响较大。这些缺陷的出现往往是同时出现,单一功能的改性达不到足够的防护效果,所以多种功效于一体的多功能改性剂研究应运而生。本研究主要以赋予木竹材疏水、防霉防腐和抗紫外性能为目的,采用水溶性疏水剂甲基硅酸钠(Methyl sodium silicate,SMS)和金属化合物为原料,通过溶胶凝胶耦合沉淀反应制备具有多种防护功能的改良木竹材。本文主要分为以下三个部分:(1)通过溶胶凝胶耦合沉淀反应在木竹材表面合成聚甲基硅氧烷(polymethylsilsesquioxane,PMS)和含铜纳米粒子(CuNP)的复合涂层,探究反应体系中溶液p H、PMS浓度、浸渍时间和浸渍次数对木竹材表面形貌、疏水、防霉防腐性的影响。结果表明,随着浸渍时间和浸渍次数的增多,木竹材表面涂层的量增加;随着PMS溶液p H的降低,木竹材表面的水接触角(Water contact angle,WCA)先增大后减小;随着PMS浓度的增加,木竹材表面的WCA先增大后减小。WCA测试结果表明,在溶液p H、PMS浓度、浸渍时间分别为11、2%、2h时WCA最大,为131.7°。浸渍次数为5时,WCA为151.1°,此时木竹材表面达到超疏水状态。根据ASTM D3273-16,PMS/CuNP涂层改性木竹材感染空气混合霉菌的面积为0%。参考LYT 1283-2011,PMS/CuNP涂层改性木材在经过褐腐菌和白腐菌侵蚀后的质量损失分别为3.71%和3.68%,改性竹材在经过褐腐菌和白腐菌侵蚀后的质量损失分别为3.80%和3.27%,达到标准规定的防腐最高等级。未改性木竹材的质量损失均大于45%,表明腐朽菌活性达到标准要求。(2)通过溶胶凝胶耦合沉淀反应分别对PMS/Fe2+、PMS/Fe3+、PMS/Al3+、PMS/Mg2+涂层改性的木竹材进行疏水性和防霉性测试,结果表明只有PMS/Fe3+改性的木竹材WCA大于150°,并且在一周后发霉;其余四种改性木竹材WCA均小于150°,会在3天后全部发霉。防霉测试结果表明,PMS/Fe3+改性的超疏水表面对霉菌有抑制作用,因此防霉剂和疏水剂在防霉过程中缺一不可。(3)通过溶胶凝胶耦合沉淀反应在木竹材表面形成PMS和含锌纳米粒子(ZnNP)的复合涂层,探究PMS/ZnNP复合涂层的疏水、防霉性,优化浸渍总时长,改变浸渍条件。结果表明,单一使用Zn Cl2或者Zn SO4均未制备出超疏水木竹材;使用真空浸渍将浸渍总时长缩短为2h。WCA测试结果表明,在Zn Cl2:Zn SO4的质量比、Zn2+浓度、浸渍时间、浸渍次数分别为1:4、2%、15min、4时木竹材表面WCA最大,为150.4°。根据ASTM D3273-16,PMS/ZnNP涂层改性木竹材对空气混合霉菌的防治效力较小,感染面积达到32.91%。探究PMS和CuNP/ZnNP复合涂层改性木竹材的疏水、防霉、抗紫外性,优化浸渍方式。结果表明Cu Cl2:Zn SO4的质量比分别为2:1和3:1时,改性木竹材的WCA分别为154.4°和150.4°;使用真空浸渍可以有效使浸渍总时长缩短为1h。根据GB/T18261-2013,防霉效果显示,Cu Cl2:Zn SO4的质量比为3:1时,改性木竹材对绿色木霉、桔青霉和黑曲霉的的防治效力达到最高级,感染面积均为0%;Cu Cl2:Zn SO4的质量比为2:1时,改性木竹材感染绿色木霉、桔青霉和黑曲霉三种霉菌的面积分别为14.2%、10.8%、8.2%。抗紫外效果显示,根据ASTM G154-00a,每次12h,4个周期紫外老化后,Cu Cl2:Zn SO4的质量比为3:1的改性木竹材总色差E变化值分别为19.75、11.49、5.63、3.78,空白组总色差木竹材E变化值分别为96.69、30.71、24.38、12.4。
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