溫致變色木材的制備和機(jī)理研究.pdf

1、溫致變色木材是一種新型的木質(zhì)功能材料，與普通的木材產(chǎn)品相比，該材料賦予了木材兩項(xiàng)新的功能—溫敏可逆變色和智能熱能轉(zhuǎn)換。研究溫致變色木材，創(chuàng)新木質(zhì)功能化新材料，開拓智能化家居材料新領(lǐng)域，促進(jìn)木材科學(xué)的發(fā)展和木材工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新具有重要學(xué)術(shù)意義和實(shí)際意義。本研究以毛白楊木材為基體，通過隱色劑、顯色劑、醇溶劑配制木材溫致變色劑，利用超聲波浸漬法將木材溫致變色劑引入木材基體上，研制溫致變色木材，篩選適合木材的溫致變色劑、研究溫致變色木材制備工藝、

2、分析溫致變色木材的光老化性能和表面性能、探索溫致變色木材的變色機(jī)理和結(jié)合機(jī)理。主要的研究結(jié)果如下：
　　1木材溫致變色劑成分研究
　?。?）根據(jù)溫致變色木材顏色與目標(biāo)色色差△E*1，深紅色、橙黃色和藍(lán)色木材溫致變色劑的隱色劑分別選擇隱色劑2、隱色劑8和結(jié)晶紫內(nèi)酯；根據(jù)溫致變色木材變色色差△E*2，三種顏色木材溫致變色劑的顯色劑選擇雙酚A；根據(jù)溫致變色木材變色溫度T及變色時(shí)間t，三種顏色木材溫致變色劑的溶劑選擇十四醇。

3、　?。?）根據(jù)溫致變色木材變色色差△E*2，深紅色、橙黃色和藍(lán)色木材溫致變色劑中隱色劑與顯色劑的配比分別為1：8，1：12和1：6，但隱色劑與溶劑的配比均為1：40。
　　2溫致變色木材的制備工藝研究
　?。?）對(duì)比熱擴(kuò)散法和超聲波浸漬法，根據(jù)溫致變色木材變色色差△E*2，溫致變色木材的制備方法選擇超聲波浸漬法。
　　（2）深紅色溫致變色木材的制備工藝為浸漬溫度55.0℃、浸漬時(shí)間4.0h、超聲波功率140.0W，橙黃

4、色和藍(lán)色溫致變色木材的制備工藝均為浸漬溫度75.0℃、浸漬時(shí)間4.0h、超聲波功率120.0W。
　?。?）研制成具有溫致變色功能的木質(zhì)新材料。該材料的起始變色溫度約為26.0℃，終止溫度約為32.0℃。溫度從26.0℃升至32.0℃時(shí)，溫致變色木材顏色逐漸由染色顏色（深紅色、橙黃色和藍(lán)色）變成木材本色；反之，溫度從32.0℃降至26.0℃時(shí)，溫致變色木材顏色逐漸由木材本色變成染色顏色（深紅色、橙黃色和藍(lán)色）。
　　3溫致變

5、色木材的光老化性能
　?。?）藍(lán)色溫致變色木材變色色差△E*2的損失率最小，其光老化性能最好；其次為深紅色溫致變色木材，最后為橙黃色溫致變色木材。
　?。?）隨著氙光輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，變色前深紅色溫致變色木材表面色度學(xué)參數(shù)中明度指數(shù)L*3、紅綠指數(shù)a*3、黃藍(lán)指數(shù)b*3和表面顏色損失△E*3逐漸增加；橙黃色溫致變色木材表面色度學(xué)參數(shù)中明度指數(shù)L*3、紅綠指數(shù)a*3和黃藍(lán)指數(shù)b3逐漸降低，表面顏色損失△E*3逐漸增加；藍(lán)色溫致變

6、色木材表面色度學(xué)參數(shù)中的明度指數(shù)L*3、黃藍(lán)指數(shù)b*3和表面顏色損失△E*3逐漸增加，紅綠指數(shù)a*3逐漸降低。
　?。?）隨著氙光輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，變色后深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材表面色度學(xué)參數(shù)中明度指數(shù)L*4逐漸降低；但紅綠指數(shù)a*4、黃藍(lán)指數(shù)b*4和表面顏色損失△E*4逐漸增加。
　?。?）紅外光譜分析表明，溫致變色木材表面分子結(jié)構(gòu)中的羥基O-H經(jīng)過氙光輻射后，部分被氧化成羧酸 COOH；分子結(jié)構(gòu)中的一些自由基經(jīng)過氧

7、化后，生成了羰基等發(fā)色基團(tuán)，羰基C=O特征峰的強(qiáng)度增加；同時(shí)苯環(huán)和芳香醚發(fā)生光氧化降解，使得苯環(huán)結(jié)構(gòu)受到破壞、醚鍵C-O-C特征峰強(qiáng)度降低；溫致變色木材光降解和變色的內(nèi)因是其表面官能團(tuán)的變化。
　　4溫致變色木材的表面性能
　　（1）深紅色溫致變色木材表面潤(rùn)濕性能最好，其次為藍(lán)色溫致變色木材，最后為橙黃色溫致變色木材；其靜態(tài)接觸角分別為52.0、53.4和55.3，動(dòng)態(tài)接觸角衰減速率常數(shù)K值分別為0.2362、0.2221和

8、0.2069。
　?。?）深紅色溫致變色木材表面自由能最大，其次為藍(lán)色溫致變色木材，最后為橙黃色溫致變色木材；其值分別為29.85 mN/m，28.30 mN/m和21.05 mN/m。
　?。?）三種顏色溫致變色木材表面的極性官能團(tuán)數(shù)量不同，造成了其潤(rùn)濕性和表面自由能的差異。深紅色溫致變色木材表面羥基數(shù)量最多，其表面潤(rùn)濕性最好、表面自由能最高；其次為藍(lán)色溫致變色木材；最后為橙黃色溫致變色木材。
　　5溫致變色木材的變

9、色機(jī)理
　?。?）木材溫致變色劑變色前后分子結(jié)構(gòu)的變化是細(xì)微的，說明木材溫致變色劑整個(gè)分子結(jié)構(gòu)在變色前后并未發(fā)生根本性的重組變化，其變色機(jī)理為電子得失機(jī)理。
　?。?）藍(lán)色溫致變色木材相變表觀活化能最大，其次為橙黃色溫致變色木材，最后為深紅色溫致變色木材；其值分別為13.58KJ/mol，12.37KJ/mol和11.72KJ/mol。
　?。?）深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材相變反應(yīng)級(jí)數(shù)均接近于1，說明三種顏色溫致

10、變色木材的相變機(jī)理是相同的。
　?。?）深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材的熱力學(xué)參數(shù)較與之對(duì)應(yīng)顏色的木材溫致變色劑低，說明木材降低溫致變色劑相變最大值所需能量和由半結(jié)晶狀態(tài)變成可溶狀態(tài)所消耗的能量。
　?。?）十四醇對(duì)應(yīng)的深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材相變熱力學(xué)參數(shù)最低，其次為十六醇，最后為十八醇。
　?。?）隨著升溫速度的增加，深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材相變起始溫度（T0）逐漸降低，但峰值溫度（Tp）、相變終

11、止溫度（Tc）和相變熱焓值（△H）均逐漸增加。
　?。?）深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材的變色時(shí)間與環(huán)境溫度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，關(guān)系式分別為y1=-12.321x+830.64、y2=-12.929x+876.71和y3=-8.1929x+578.5。
　　6溫致變色木材的結(jié)合機(jī)理
　?。?）深紅色、橙黃色和藍(lán)色溫致變色木材的縱向滲透量最大；其次為徑向；最后為弦向。三種顏色溫致變色木材縱向、徑向和弦向的增重率分別為30

12、.34％、16.66%、15.79%，18.67%、7.65%、7.01%和20.39%、13.13%、12.12%。
　?。?）紅外光譜分析表明，溫致變色劑與木材之間既形成化學(xué)結(jié)合又形成物理結(jié)合?；瘜W(xué)結(jié)合主要表現(xiàn)在未處理木材的羥基O-H吸收頻率區(qū)的強(qiáng)度降低，表示其分子結(jié)構(gòu)中的羥基O-H被溫致變色劑占據(jù)，形成了氫鍵結(jié)合；物理結(jié)合主要表現(xiàn)在未處理木材的甲基或亞甲基C-H吸收頻率區(qū)的強(qiáng)度增加，表示溫致變色劑與木材形成了機(jī)械吸附，產(chǎn)生了