专利名称：基于纳米层状粘土掺杂的木材－有机－无机杂化纳米复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及木质复合材料的制备方法。
背景技术：
基于单体浸注与聚合方法制备的木材-有机聚合物复合材料多具有良好的力学性能和耐久性(防腐性能和尺寸稳定性)，且保留了木材的生态环境材料特性，在室内外建筑结构材料、特殊场所的装饰材料领域具有市场需求，对木材尤其低质木材的高效利用具有十分重要的意义；但这类材料多因聚合物的耐热性差而具有较低的热稳定性(如以最大热解温度为衡量指标)，甚至低于木材本身，且多因聚合物的脆性特性致使该类材料的冲击韧性显著降低，进而限制了该类材料的拓宽应用。无机体对木材单一'丨生能(如耐热性)的改善较佳，可使木材-无机复合材料应用在对某些耐久性有较高要求的领域，尤其纳米无机体的纳米特性所赋予木材的部分特殊功能，有望将木材应用拓宽到高附加值领域；但无机体对木材(尤其低质木材)力学性能的改善一般贡献较少，限制了该材料的广泛应用。
发明内容
本发明为了解决木材-有机聚合物复合材料热稳定性差、冲击韧性低和木材-无机(纳米)复合材料力学性能差的技术问题，提供了一种基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法。基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法按以下步骤进行一、称取I质量份功能性单体和功能性单体质量1% 150%的韧性剂，并混合均匀，得到单体溶液；二、称取单体溶液质量O. 01 % O. 3 %的有机铵改性蒙皂石有机粘土，然后将有机铵改性蒙皂石有机粘土在105°C、0. OlMPa的真空干燥条件下干燥处理24h，再将干燥后的有机铵改性蒙皂石有机粘土分散于乙醇中，得到有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为O. 1% 10%的粘土 /乙醇混合液，然后在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下超声处理20min，然后再将经过超声处理的混合液加入到单体溶液中，并在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下进一步超声处理20min，得到有机粘土均匀分散的单体混合溶液；三、称取交联剂、引发剂和丙酮，其中引发剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的O. 5% I交联剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的1% 10%,丙酮的质量为交联剂质量的2. 5倍；四、将步骤三称取的交联剂溶于丙酮中，得到交联剂溶液，再将交联剂溶液和引发剂加入到步骤二得到的有机粘土均匀分散的单体混合溶液中，混合均匀，得到浸溃液；五、将木材放入步骤四得到的浸溃液中，然后木材与浸溃液一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa -O. 095MPa,并保持真空度为-O. 08MPa -O. 095MPa 的条件 15min 25min ；六、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压至反应罐中的压力为O. 8MPa IMPa，保持压力为O. 8MPa IMPa的条件20min 30min ；七、将反应罐中的压力降至常压，取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹，然后加热至温度为75°C 85°C并保持此温度8h 10h，拆除铝箔纸，再继续加热至温度为105°C 115°C并保持此温度8h 10h，即得基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料；步骤一中所述的功能性单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯及烯丙基缩水甘油醚中的一种或两种的组合；
步骤一中所述的韧性剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇-200-二甲基丙烯酸酯及聚乙二醇-400- 二甲基丙烯酸酯中的一种或其中几种的组合；步骤三中所述的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰；步骤三中所述的交联剂为反应型交联剂或催化型交联剂，所述反应型交联剂为马来酸酐、丁二酸酐及邻苯二甲酸酐中的一种或其中几种任意比例的组合，所述催化型交联剂为三乙胺。本发明的方法是基于木材的天然多孔结构，利用有机-无机杂化技术，将有机单体和纳米无机体混合及超声分散，并经真空-加压处理将有机体和无机体的混合液浸注入木材孔隙中；然后再于加热条件下使有机体和无机体在木材孔隙中原位杂化聚合，得到杂化聚合物与木材复合的掺杂型木材-有机-无机杂化纳米复合材料。本发明的功能性单体甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和烯丙基缩水甘油醚(AGE)，均具有可与木材基质上的羟基发生化学键合的环氧基团及可与含有不饱和双键的单体发生自由基聚合的C = C双键等功能性官能团，可改善聚合物与木材基质间的界面相容性；同时，这些功能性单体与韧性剂反应可使聚合物形成体形交联结构，赋予聚合物较高的力学性能和热稳定性；韧性剂中的醚链结构可赋予聚合物一定的柔韧性，从而改善体形交联聚合物脆性大的缺点。本发明除利用加热手段促进环氧基团与羟基发生键合外，还利用有机酸酐或有机叔胺作为反应型/催化型交联剂，使功能性单体在温和的加热条件下，有效的打开环氧基团，与木材细胞壁上的羟基发生亲核取代反应，实现两者的键联。本发明的改性纳米层状粘土的片层表面因含有有机胺阳离子，可与功能性单体的环氧基团及反应型交联剂的环酐基团产生强烈的相互作用，有助于有机体插入甚至剥离无机片层，从而实现有机体与无机体的杂化纳米复合；再借助功能性单体与木材组分的化学键连，实现木材、有机体和纳米无机层状粘土 Clay三者的原位杂化，进而形成木材-有机-无机杂化纳米复合材料。本发明的木材-有机-无机杂化纳米复合材料中的聚合物与木材细胞壁间接触紧密，无明显缝隙，界面相容性良好；抗弯强度、顺纹抗压强度、冲击韧性和硬度分别较木材素材提高100% 120%、120% 160%、90% 130%、160% 200%，初始热解温度和最大热解温度分别较木材素材提高5 15°C和15 30°C，连续浸水200h后的尺寸稳定性(以抗胀率为衡量指标)较木材素材提高50% 60%，耐真菌寝食能力(即防腐性能)较木材素材提高95% 98%，故具有优良的力学强度、热稳定性、尺寸稳定性和防腐性能，可用作室内家具及室外建筑结构材料，应用于对木质材料具有较高耐久性和力学性能要求的领域。
图I是实验一以甲基丙烯酸甲酯为单体制备的木材-聚合物复合材料的横切面扫描电镜照片；图2是实验一以甲基丙烯酸甲酯为单体制备的木材-聚合物复合材料的冲击断面扫描电镜照片；图3是实验二以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体制备的木材-聚合物复合材料的横切面扫描电镜照片；图4是实验二以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体制备的木材-聚合物复合材料的冲击断面扫描电镜照片； 图5是实验三制备的木材-聚合物复合材料的横切面扫描电镜照片；图6是实验三制备的木材-聚合物复合材料的冲击断面扫描电镜照片；图7是实验四制备的木材-聚合物复合材料的横切面扫描电镜照片；图8是实验四制备的木材-聚合物复合材料的冲击断面扫描电镜照片；图9是实验五制备的基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的横切面扫描电镜照片；图10是实验五制备基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的冲击断面扫描电镜照片；图11是图9所对应的X-射线能谱扫描图；图12是实验五基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料实验中有机铵改性蒙皂石有机粘土在纯有机聚合物中纳米分散的原子力显微镜AFM图；图13是实验五制备的有机铵改性蒙皂石有机粘土在基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的有机聚合物中分散状态的TEM形貌图；图14是图13的放大图；图15是杨木素材、实验四制备的木材-聚合物复合材料及实验五制备的基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的TG曲线，图中a表示杨木素材的TG曲线，b表示实验四木材-聚合物复合材料的TG曲线，c表示实验五基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的TG曲线；图16是杨木素材、实验四制备的木材-聚合物复合材料及实验五制备的基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的DTG曲线，图中a表示杨木素材的DTG曲线，b表示实验四木材-聚合物复合材料的DTG曲线，c表示实验五基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的DTG曲线。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法按以下步骤进行
一、称取I质量份功能性单体和功能性单体质量1% 150%的韧性剂，并混合均匀，得到单体溶液；二、称取单体溶液质量O. 01% O. 3%的有机铵改性蒙皂石有机粘土，然后将有机铵改性蒙皂石有机粘土在105°C、0. OlMPa的真空干燥条件下干燥处理24h，再将干燥后的有机铵改性蒙皂石有机粘土分散于乙醇中，得到有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为O. 1% 10%的粘土 /乙醇混合液，然后在温度为151 301、频率为300取的条件下超声处理20min，然后再将经过超声处理的混合液加入到单体溶液中，并在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下进一步超声处理20min，得到有机粘土均匀分散的单体混合溶液；三、称取交联剂、引发剂和丙酮，其中引发剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的O. 5% I 交联剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的1% 10%,丙酮的质量为交联剂质量的2. 5倍；四、将步骤三称取的交联剂溶于丙酮中，得到交联剂溶液，再将交联剂溶液和引发 剂加入到步骤二得到的有机粘土均匀分散的单体混合溶液中，混合均匀，得到浸溃液；五、将木材放入步骤四得到的浸溃液中，然后木材与浸溃液一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa -O. 095MPa,并保持真空度为-O. 08MPa -O. 095MPa 的条件 15min 25min ；六、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压至反应罐中的压力为O. 8MPa IMPa，保持压力为O. 8MPa IMPa的条件20min 30min ；七、将反应罐中的压力降至常压，取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹，然后加热至温度为75°C 85°C并保持此温度8h 10h，拆除铝箔纸，再继续加热至温度为105°C 115°C并保持此温度8h 10h，即得基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料；步骤一中所述的功能性单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)及烯丙基缩水甘油醚(AGE)中的一种或两种的组合；步骤一中所述的韧性剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、聚乙二醇-200-二甲基丙烯酸酯(PEG200DMA)及聚乙二醇_400_ 二甲基丙烯酸酯(PEG400DMA)中的一种或其中几种的组合；步骤三中所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)或过氧化苯甲酰(BPO)；步骤三中所述的交联剂为反应型交联剂或催化型交联剂，所述反应型交联剂为马来酸酐(顺丁烯二酸酐)(MAN)、丁二酸酐及邻苯二甲酸酐中的一种或其中几种任意比例的组合，所述催化型交联剂为三乙胺。本实施方式步骤一中所述的功能性单体为组合物时，各成分间为任意比。本实施方式步骤一中所述的韧性剂为组合物时，各成分间为任意比。本实施方式步骤二中所述有机铵改性蒙皂石有机粘土购自于浙江舟山明日纳米科技有限公司。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中有机铵改性蒙皂石有机粘土溶于乙醇中，得到有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为I %的粘土 /乙醇混合液。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为O. 1% 10%的混合液在温度为20°C、频率为300Hz的条件下超声处理20min。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中经过超声处理的混合液加入到单体溶液中，形成质量浓度为O. I %的含有有机粘土的单体混合溶液。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中在温度为20°C、频率为300Hz的条件下进一步超声处理20min，形成有机粘土均匀分散的单体混合溶液。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中韧性剂的质量为功能性单体的5%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中有机铵改性蒙 皂石有机粘土的质量为单体溶液质量的O. 2%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三中引发剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的O. 8%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤三中交联剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的5%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤七中先加热至温度为80°C并保持此温度9h，拆除铝箔纸后再继续加热至温度为110°C并保持此温度9h。其它与具体实施方式
一相同。采用下述实验验证本发明效果实验一以甲基丙烯酸甲酯为单体制备的木材-聚合物复合材料的制备方法如下一、称取I质量份的甲基丙烯酸甲酯，得到单体溶液；二、称取占步骤一得到的单体溶液质量1%的偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂；三、将经步骤二称取的偶氮二异丁腈(AIBN)加入到步骤一得到的单体溶液中，混合均匀，得到浸溃液；四、将木材放入步骤三得到的浸溃液中，然后将木材与浸溃液一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa,并保持20min ；五、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压使反应罐中的压力达到O. 8MPa，并保持 20min ；六、将反应罐的压力降至常压，然后取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹起来，然后加热至温度为80°C并保持8h，拆除铝箔纸，再继续于80°C条件下加热8h，即得以甲基丙烯酸甲酯为单体制备的木材-聚合物复合材料。实验二以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体制备的木材-聚合物复合材料的制备方法如下一、称取I质量份GMA，配成单体溶液；二、分别称取占经步骤一得到的单体溶液质量1%的偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂；
三、分别将经步骤二称取的偶氮二异丁腈(AIBN)加入到经步骤一得到的单体溶液中，混合均匀，得到浸溃液；四、分别将木材放入步骤三得到的浸溃液中，然后将木材与浸溃液一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa，并保持20min ；五、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压使反应罐中的压力达到O. 8MPa，并保持 20min ；六、将反应罐的压力降至常压，然后取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹起来，然后加热至温度为80°C并保持8h，拆除铝箔纸，再继续于110°C条件下加热8h，即得以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体制备的木材-聚合物复合材料。实验三
木材-聚合物复合材料的制备方法如下一、称取I质量份甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯质量5%的聚乙二醇-200-二甲基丙烯酸酯(PEG200DMA)并混合均匀，得到单体溶液；二、称取占经步骤一得到的单体溶液质量1%的偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂；三、将经步骤二称取的偶氮二异丁腈(AIBN)加入到经步骤一得到的单体溶液中，混合均匀，得到浸溃液；四、分别将木材放入步骤三得到的浸溃液中，然后一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa，并保持20min ；五、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压使反应罐中的压力达到O. 8MPa，并保持 20min ；六、将反应罐的压力降至常压，然后取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹起来，然后加热至温度为80°C并保持8h，拆除铝箔纸，再继续于110°C条件下加热8h，即得木材-聚合物复合材料。实验四木材-聚合物复合材料的制备方法如下一、称取I质量份甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯质量5%的聚乙二醇-200-二甲基丙烯酸酯(PEG200DMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯质量6%的马来酸酐(MAN)并混合均匀，配成单体溶液；二、称取占经步骤一得到的单体溶液质量1%的偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂；三、将经步骤二称取的偶氮二异丁腈(AIBN)加入到经步骤一得到的单体溶液中，混合均匀，得到浸溃液；四、将木材放入步骤三得到的浸溃液中，然后将木材与浸溃液一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa,并保持20min ；五、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压使反应罐中的压力达到O. 8MPa，并保持 20min ；六、将反应罐的压力降至常压，然后取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹起来，然后加热至温度为80°C并保持8h，拆除铝箔纸，再继续于110°C条件下加热8h，即得木材-聚合物复合材料。实验五一、称取I质量份功能性单体GMA和功能性单体GMA质量5%的韧性剂PEG200DMA，并混合均匀，得到单体溶液；二、称取占步骤一得到的单体溶液质量O. I %的有机铵改性蒙皂石有机粘土，然后将有机铵改性蒙皂石有机粘土在105°C、0. OlMPa的真空干燥条件下干燥处理24h，将干燥后的有机铵改性蒙皂石有机粘土溶于乙醇中，得到有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为1%的粘土 /乙醇混合液，然后在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下超声处理20min，然后再将经过超声处理的混合液加入到单体溶液中，并在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下进一步超声处理20min，得到有机粘土均匀分散的单体混合溶液；三、称取引发剂AIBN、反应型交联剂马来酸酐(MAN)和丙酮溶剂，其中引发剂AIBN的质量占步骤一得到的单体溶液质量的1%，反应型交联剂马来酸酐(MAN)的质量占步骤 一得到的单体溶液质量的6%，丙酮的质量为反应型交联剂的2. 5倍； 四、将经步骤三称取的反应型交联剂溶于经步骤三称取的丙酮中，得到反应型交联剂溶液，再将反应型交联剂溶液和经步骤三称取的引发剂加入到经步骤二得到的有机粘土均匀分散的单体混合溶液中，混合均匀，得到浸溃液；五、将木材放入步骤四得到的浸溃液中，然后一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa，并保持20min ；六、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压使反应罐中的压力达到O. 8MPa，并保持 20min ；七、将反应罐的压力降至常压，然后取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹起来，然后加热至温度为80°c并保持8h，之后拆除铝箔纸，再继续加热至温度为110°C并保持8h，即得基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料。 本实验制得的木材-有机-无机杂化纳米复合材料中的聚合物与木材细胞壁间接触紧密，无明显缝隙，界面相容性良好(图9-图10);抗弯强度、顺纹抗压强度、冲击韧性和硬度分别较木材素材提高116%、144%、118%和181% (表I);图12-图14所示的AFM图和TEM图充分表明该制备工艺下Clay以插层形式分散在杂化聚合物基体中；图15-图16所示的TG/DTG曲线表明，木材-有机-无机杂化纳米复合材料与对应的木材-聚合物复合材料的起始热解温度均在280°C 300°C之间，均较木材素材的外延初始热解温度(275°C )高，且两者在400°C前的失重率均较木材素材低；同时，木材-有机-无机杂化纳米复合材料的最大热解温度达到390°C，分别较木材、实验四制备的木材-聚合物复合材料的对应峰温度提高25°C和10°C，表明经有机铵改性蒙皂石有机粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的热稳定性最高，远较木材素材高，甚至高于基于纳米SiO2掺杂(O. 5wt% )的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的热稳定性(最大热解温度为386°C )，达到了预期的热稳定性改善目的；此外，连续浸水200h后的尺寸稳定性(以抗胀率为衡量指标)较木材素材提高53%，耐真菌寝食能力(即防腐性能)较木材素材提高95. 95% (褐腐)、97. 61%(白腐)(表2)，故该实施方式下的木质杂化纳米复合材料具有优良的力学强度、热稳定性、尺寸稳定性和防腐性能。从图I-图2可以看出，甲基丙烯酸甲酯聚合后形成的聚合物孤立地填充在木材细胞腔中，聚合物相与木材细胞壁基质间存在明显的界面缝隙(如虚线圈所示)，且细胞腔内聚合物呈齐整的典型脆性聚合物断裂面，表明该木材-聚合物复合材料的界面相容性差，且属于脆性材料；图3-图8所示的横切面SEM图中聚合物与木材基质结合紧密，间接表明聚合物通过GMA的环氧基团与木材羟基反应，致使其与木材基质的界面相容性良好，但图3-图4所示的木材-聚合物复合材料的横断面为典型的脆性聚合物呈现的齐整断裂面，而图5-图8所示的木材-聚合物复合材料的横断面为典型的强韧性聚合物所呈现的‘颈缩’断裂面,表明图3-图4的木材-聚合物复合材料为脆性材料,而图5-图8的木材-聚合物复合材料为韧性材料。图9-图10所示的经纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料呈现良好的杂化聚合物与木材基质的界面相容性，及典型的强韧性材料断面，间接体现了该木质杂化纳米复合材料实现了预期的杂化聚合物与木材细胞壁化学键联、韧性高、脆性低的目标；图11的EDX谱图、图12的AFM图、图13及图14的TEM图表明了纳米层状粘土 Clay以插层形式存在于聚合物基体中。图15-图16表明，木材素材出现最大热降解速率峰的温度在365°C附近，实验四制备的木材-聚合物复合材料为380°C，而实验五制备的基于纳米层状粘土掺杂的木材-有 机-无机杂化纳米复合材料则达到390°C，表明对比实验下的木材-有机聚合物复合材料因GMA、PEG200DMA和MAN的催化交联与聚合，通过聚合物结构的改变，赋予了改性木材更高的热稳定性，而实验五制备的木材-有机-无机杂化纳米复合材料则除了有机聚合物自身结构的改变，通过有机聚合物与纳米层状粘土的原位插层杂化，综合了有机聚合物和无机纳米有机铵改性蒙皂石有机粘土的优点，而进一步改善了杂化聚合物的结构，进而使其较木材素材和木材-有机聚合物复合材料具备更高的热稳定性，甚至优于纳米SiO2掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料(最大热解温度为386°C )，达到了预期改性目的。由表I所示数据可知，与木材素材相比，基于功能性单体(体系)改性木材(实验三、四制备的木材-聚合物复合材料)和基于纳米层状粘土插层杂化的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的抗弯强度、抗压强度和硬度均得到明显提高，表明(杂化)聚合物作为增强体对木材力学性能的改善起积极作用。其中，实验四的基于优化功能性单体体系的木材-聚合物复合材料的三项力学性能整体较基于GMA、MMA的改性木材高，表明PEG200DMA作为韧性剂的加入，对优化体系下形成的聚合物的结构起增强作用；此外，MAN的加入对复合材料的三项力学性能也有影响，表明了 MAN作为反应型交联剂对界面和聚合物结构的改善均起到了一定的作用。而与几种木材-聚合物复合材料相比，基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的三项力学性能最高。对于冲击韧性而言，GMA体系负面增加了木材的脆性，而优化的功能性单体体系显著改善了木材的冲击韧性，较木材素材提高了 I. 12倍；基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的冲击韧性更高，较木材素材提高了 118%，表明基于纳米层状粘土掺杂方式可进一步改善木材和木材-聚合物复合材料的冲击韧性。同时，SEM-EDX观察(图9-图11)其横断面也表明，杂化聚合物在冲击应力下显示明显的‘劲缩’断裂痕迹，这也间接验证了该木质杂化纳米复合材料良好的冲击韧性。因此，基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料具有优良的力学性能，达到甚至部分超过了东北多数优质树种木材的力学性能。由表2所示的防腐失重率结果可知，与木材素材相比，两种功能性单体(体系)改性木材(实验三制备的木材-聚合物复合材料和实验四制备的木材-聚合物复合材料)对褐腐菌的防腐性能分别提高95. 12%和96. 15%，对白腐菌的防腐性能分别提高96. 78%和97. 57% ;与无机硼类防腐剂(硼酸硼砂=5 1，质量比)和有机IPBC防腐剂(3-碘-2-丙炔基丁基氨基甲酸酯)处理木材相比，优化的功能性单体体系改性木材(实验四制备的木材-聚合物复合材料)对褐腐菌和白腐菌的防腐性能更高，表明该类体系改性木材具有良好的防腐性能；而基于纳米层状粘土掺杂方式的木材-有机-无机杂化纳米复合材料对褐腐菌的失重率较木材素材降低了 95. 95%，对白腐菌的失重率较木材素材降低97. 61 %，与木材-聚合物复合材料和基于纳米SiO2掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料大致相当，表明了该类木质复合材料具有良好的防腐性能。该木质杂化纳米复合材料与实验四制备的木材-聚合物复合材料、基于纳米SiO2掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料间的失重率差异均小于5%，故可以认为两者的防腐性能基本相当，没有明显差异。表I基于功能性单体及其优化体系的木质复合材料与杨木素材的力学性能对比
抗弯强度抗压强度
力学性能(弦切面)(顺纹)
倍数倍数~
绝对值绝对值
试件名称(与素(与素
(MPa)(MPa)
材比)材比)
以甲基丙烯酸甲酯为单体制备的木材-聚
57 47- 51.71 —
合物复合材料
以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体84.641.47 78.02 1,51
制备的木材-聚合物复合材料
实验三制备的木材-聚合物复合材料104.591.82 120.03 2.32
实验四制备的木材-聚合物复合材料119.352.08 122.42 2.37
以甲基丙烯酸甲酯为单体制备的木材-聚
112.661.96 12j 14 2 8
合物复合材料
基于纳米SiO2掺杂的木材一有机一无机杂
118.932.07 125.60 2 4
化纳米复合材料
权利要求
1.基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法按以下步骤进行 一、称取I质量份功能性单体和功能性单体质量1% 150%的韧性剂，并混合均匀，得到单体溶液； 二、称取单体溶液质量O.01% O. 3%的有机铵改性蒙皂石有机粘土，然后将有机铵改性蒙皂石有机粘土在105°C、0. OlMPa的真空干燥条件下干燥处理24h，再将干燥后的有机铵改性蒙皂石有机粘土分散于乙醇中，得到有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为O.1% 10%的粘土 /乙醇混合液，然后在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下超声处理20min，然后再将经过超声处理的混合液加入到单体溶液中，并在温度为15°C 30°C、频率为300Hz的条件下进一步超声处理20min，得到有机粘土均匀分散的单体混合溶液； 三、称取交联剂、引发剂和丙酮，其中引发剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的O.5% 1%，交联剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的1% 10%，丙酮的质量为交联剂质量的2. 5倍； 四、将步骤三称取的交联剂溶于丙酮中，得到交联剂溶液，再将交联剂溶液和引发剂加入到步骤二得到的有机粘土均匀分散的单体混合溶液中，混合均匀，得到浸溃液； 五、将木材放入步骤四得到的浸溃液中，然后木材与浸溃液一并置入反应罐中，密闭后抽真空至反应罐中的真空度达到-O. 08MPa -O. 095MPa,并保持真空度为-O. 08MPa -O. 095MPa 的条件 15min 25min ； 六、解除真空，恢复至常压，然后再空气加压至反应罐中的压力为O.SMPa IMPa，保持压力为O. 8MPa IMPa的条件20min 30min ； 七、将反应罐中的压力降至常压，取出木材，用铝箔纸将浸溃后的木材包裹，然后加热至温度为75°C 85°C并保持此温度8h 10h，拆除铝箔纸，再继续加热至温度为105°C .115°C并保持此温度8h 10h，即得基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料； 步骤一中所述的功能性单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯及烯丙基缩水甘油醚中的一种或两种的组合； 步骤一中所述的韧性剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇-200-二甲基丙烯酸酯及聚乙二醇-400- 二甲基丙烯酸酯中的一种或其中几种的组合； 步骤三中所述的引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰； 步骤三中所述的交联剂为反应型交联剂或催化型交联剂，所述反应型交联剂为马来酸酐、丁二酸酐及邻苯二甲酸酐中的一种或其中几种任意比例的组合，所述催化型交联剂为二乙胺。
2.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中有机铵改性蒙皂石有机粘土溶于乙醇中，得到有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为1%的粘土/乙醇混合液。
3.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中有机铵改性蒙皂石有机粘土质量浓度为O. I % 10%的混合液在温度为20°C、频率为300Hz的条件下超声处理20min。
4.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中经过超声处理的混合液加入到单体溶液中，形成质量浓度为O. I %的含有有机粘土的单体混合溶液。
5.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中在温度为20°C、频率为300Hz的条件下进一步超声处理20min,形成有机粘土均勻分散的单体混合溶液。
6.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中韧性剂的质量为功能性单体的5%。
7.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中有机铵改性蒙皂石有机粘土的质量为单体溶液质量的O.2%。
8.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中引发剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的O. 8%。
9.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中交联剂的质量占步骤一得到的单体溶液质量的5%。
10.根据权利要求I所述基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤七中先加热至温度为80°c并保持此温度9h，拆除铝箔纸后再继续加热至温度为110°C并保持此温度9h。
全文摘要
基于纳米层状粘土掺杂的木材-有机-无机杂化纳米复合材料的制备方法，它涉及木质复合材料的制备方法。本发明为了解决木材-有机聚合物复合材料热稳定性差、冲击韧性低和木材-无机复合材料力学性能差的技术问题。本方法如下将有机铵改性蒙皂石有机粘土超声分散在单体溶液中，并复配引发剂和交联剂，形成浸渍液，再将木材放入浸渍液并置入反应罐中，密闭后抽真空，再解除真空，再空气加压，再将压力降至常压，取出木材，用铝箔纸将浸渍后的木材包裹，加热，拆除铝箔纸，再继续加热，即得。本发明的木材-有机-无机杂化纳米复合材料中的聚合物与木材基质界面相容性良好，具有优良的力学强度、热稳定性、尺寸稳定性和防腐性能。
文档编号B27N3/02GK102775717SQ201210287368
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者席恩华, 李永峰, 董晓英 申请人:山东农业大学