光温响应木基质材料的制备及其性能研究

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作为一种天然且可再生的生物质材料,木材成分交错复杂的排布构成了木质材料多尺度的各向异性取向的孔道结构,同时木材的功能性官能团为其提供反应活性,使其成为了一个理想的生物基模板,赋予了木材仿生可行性、便捷性及功能性,为木质材料与功能性材料的结合奠定了优良的基础。智能响应材料是在外界的刺激下,做出相应响应一种材料,其中,光温智能响应,不依赖于其它化学助剂,响应速度快而且剧烈。同时,光和温度的变化不仅在自然界存在的情况很多,同时靠人工也很容易实现,所以本论文主要专注于木材的光温智能响应。旨在通过仿生手段进行木材功能智能化,拓宽木材的应用领域、提高木质材料的利用价值、为新型功能木质材料的后续发展提供了新的思路和理论参考依据。本论文的主要工作内容可概括为以下几点:(1)利用滴涂法将温敏变色材料与木质基材复合制备了正向可逆温度响应木材,通过视觉观察,木材自然的纹理完全不受透明薄膜的影响,并具有良好的可逆光致变色性能和漆膜附着力。后续又在微胶囊和木材间利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷嫁接了化学键,得到了更加均匀的薄膜,使得样品具有更加迅速的响应速率,同时将疏水性赋予了木材,使其具有更加优越的尺寸稳定性和耐水性,仿生构建出了疏水型温度响应木材。(2)以磷钼酸(PMA)纳米颗粒和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料,利用木材的多尺度层次结构成功地制备了无机-有机杂化光敏木材。紫外可见光谱和X射线光电子能谱证明,在可见光的照射下样品中部分Mo6+变成了 Mo5+,发生了部分光还原反应并形成了杂多蓝。尝试利用壳聚糖(CS)对无机-有机杂化光敏木材进行了性能优化。扫描电镜结果证明PMA粒子被嵌入并均匀分散在CS/PVP网络中,同时复合材料被成功地锚定在了木材表面,得到了分散更加良好、响应速度更加灵敏的具有可见光响应性能的样品。(3)以具有多尺度层次结构的木材单板为原料,通过水热法成功合成了木基质蛋壳状钼酸铋光催化剂。合成的蛋壳状钼酸铋纳米颗粒均匀的生长在木质基材表面上,其形态强烈依赖于初始前驱液的pH和木质基材的存在。紫外吸收光谱、光致发光光谱和比表面积的结果表明,样品具有的更高的光吸收强度,优异的吸附能力和较低的载流子的重组率等特点使得样品具有较好的光催化性能。(4)通过将光敏材料组装进聚甲基丙烯酸甲酯/木材复合基质,制备了紫外线吸收光致发光木致复合材料(UAW)。样品表现出良好的可逆光致发光过程并具有较快的响应速度,对紫外线的吸收度和拦截能力都明显优于原始木材和透明木材。经过30天的浸水试验后,UAW依旧能保持较好的尺寸稳定性。将浸水实验后的样品进行拉伸试验测试,UAW的断裂强度依旧是原始木材的20倍,具有较好的断裂强度。(5)以温度响应微胶囊、二氧化钒-二氧化硅核壳结构纳米颗粒和金红石型云母钛为原料,分别以实木和透明木材为基质,制备了智能光温响应调温木材。首先节能型透明木材的制备方法是将二氧化硅-二氧化钒核壳纳米颗粒与温度响应微胶囊一同注入到透明木材基质中。样品具有屏蔽红外线功能的同时具有储能功能,模型房测试系统结果表明,以节能木材制备的模型房可以使模型房保持在较稳定的温度区间内,同时样品具有优越的防水性能和热重稳定性,利用金红石型云母钛制备的疏水型结构色木具有较好的反光绝热性能。
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