TiO2在木材改性上的研究及应用

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木材在潮湿环境下易潮易霉,遇明火易燃烧,这不仅降低了木材的利用率,也阻碍了木材在生产生活中的应用。为解决木材易潮易霉易燃的问题,扩大木材应用领域,提高木材利用率,本论文利用水热法在木材上负载TiO2以及ZnO掺杂TiO2,以制备TiO2/木材复合材料和ZnO掺杂TiO2/木材复合材料,并探究反应温度T、反应时间t和钛酸丁酯用量VTBOT对木材力学性能以及防潮防霉阻燃性的影响。TiO2对木材有四方面保护,第一,小尺寸TiO2堵塞木材传输H2O、O2的通道,并在表面形成保护膜;第二,燃烧时TiO2能促进成炭、保护残炭;第三,经十二烷基硫酸钠(SDS)修饰的TiO2具有疏水性;第四,TiO2是一种光催化型的抗菌剂。通过X射线衍射XRD、能量色散光谱EDX、扫描电子显微镜SEM、平衡含水率EMC、抗胀缩率ASE、静态水接触角WCA、抑菌圈、热重分析TG、燃烧氧指数LOI、热释放速率HRR等检测以及数据分析得到,TiO2/木材复合材料最佳制备条件为钛酸丁酯量VTBOT=10ml(即8.9%v/v),反应温度T=80℃,反应时间t=1h,测得木材表面TiO2晶粒最小尺寸为10nm~20nm,TiO2/木材压缩量为90%时的最大横纹抗压强度为17632.46MPa。采用SDS对TiO2进行疏水修饰,提高TiO2/木材的防潮性,其在潮湿环境下的尺寸稳定性增加量ΔD提高24%,EMC为12.3%,ASE为22.5%,WCA为137°,样品防潮性提高。TiO2/木材置于RH=90%环境中60天,其表面没有出现大量的霉斑和菌丝,日光下TiO2/木材对大肠杆菌(E.coli)和金黄底色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌圈平均直径分别为23.8mm、34.8mm,这说明样品具备了一定防霉性。木材负载TiO2后,其LOI达到了30.4vol%,半纤维素和纤维素的热解温度提高到了270℃和392℃,和木材原样相比均有提高,样品具备了阻燃性。为提高TiO2/木材在暗态下的抗菌性,对TiO2进行ZnO掺杂,制备ZnO掺杂TiO2/木材复合材料。研究结果表明,ZnO掺杂样品在日光和暗态下对E.coli和S.aureus均具备了抗菌性,在日光条件下两种菌的抑菌圈平均直径比暗态下提高了16%和25%。ZnO掺杂样品的EMC较木材原样降低了1.17%,这说明样品具备了防潮性。经锥形量热仪检测,ZnO掺杂样品的最大放热峰比原样延迟了380s,HRR最高值降低了266kW/m2,可认为样品具备了较好的阻燃性。本课题利用水热法在不同反应温度T、反应时间t和钛酸丁酯用量VTBOT实验条件下,制备出了TiO2/木材复合材料和ZnO掺杂TiO2/木材复合材料,样品的横纹抗压强度有提高也有降低,但是其防潮防霉阻燃性随着T从120℃降低至80℃,t从9h降至1h,VTBOT从2ml提高到10ml而逐渐提高,特别是掺杂ZnO后,样品在暗态条件下也具备了较好的防霉性,其阻燃性也得到了进一步提高。
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