聚合物-無機(jī)物-生物質(zhì)雜化復(fù)合材料及其陶瓷材料的研究.pdf

1、本文開展了基于聚合物/無機(jī)物/生物質(zhì)雜化復(fù)合材料及其陶瓷材料的探索研究，即利用天然木材獨(dú)特的構(gòu)造，制備了聚合物/SiO2/木粉雜化復(fù)合材料及其陶瓷材料，并對(duì)這些材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。
　　 1、通過系統(tǒng)的研究NaOH溶液濃度對(duì)杉木粉組成、結(jié)構(gòu)和熱性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NaOH溶液使部分氫鍵被破壞，破壞了纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使更多的羥基能夠參與反應(yīng)，提高了木粉的可反應(yīng)性。堿處理改善了杉木粉的微孔結(jié)構(gòu)，使管胞與紋孔的多層次、規(guī)

2、整有序的孔隙結(jié)構(gòu)更清晰，有利于反應(yīng)試劑在其中的滲透、擴(kuò)散。
　　 2、采用溶膠凝膠-水熱耦合的新方法，成功制備了具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無機(jī)/木粉雜化材料。在水熱條件所提供的特殊物理化學(xué)環(huán)境中，前驅(qū)體ZrOCl2溶液進(jìn)入到木粉的微孔結(jié)構(gòu)中，水解產(chǎn)物的羥基與木粉的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成了較強(qiáng)的Zr－O－C 鍵，水解產(chǎn)物的自身的縮合反應(yīng)生成了ZrO2，填充在木粉的孔隙中，最終制得了具有無機(jī)氧化物凝膠纖維與木粉纖維質(zhì)網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的雜化材料。

3、這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了雜化材料的耐熱性能。在空氣中800℃處理ZrO2/木粉雜化材料制得了具有獨(dú)特的、孔形規(guī)則的管狀“網(wǎng)籠”結(jié)構(gòu)的ZrO2多孔陶瓷材料。
　　 以正硅酸乙酯（TEOS）為無機(jī)物前驅(qū)體，分別采用酸催化、非催化的溶膠凝膠-水熱耦合法制備了具有無機(jī)物與木粉骨架互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)SiO2/木粉雜化材料。傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、X-射線衍射（XRD）和熱重（TG）分析結(jié)果表明，酸催化過程能形成更多的Si－O－C 化學(xué)鍵結(jié)合，

4、提高雜化材料的增重率和熱性能。酸催化和非催化過程制得的SiO2/木粉雜化材料的熱分解起始溫度分別為325℃和314℃，比木粉分別提高了50℃和39℃。在空氣中1000℃熱處理酸催化法制得的SiO2/木粉雜化材料可制備具有木粉有序孔結(jié)構(gòu)的SiO2 陶瓷材料，孔徑主要分布在2～40nm之間。
　　 3、在苯酚:萘酚:甲醛的摩爾比為0.9:0.1:1.35，氨水作催化劑（pH=8～9），反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時(shí)間為2.0h的最佳反應(yīng)條

5、件下，制備了以萘酚部分替代苯酚的高殘?zhí)紵峁绦苑尤渲?br>　　 FTIR和TG分析結(jié)果表明，萘酚醛樹脂具有較好的耐熱性能,800℃時(shí)的殘?zhí)悸蕿?1.3％，是良好的碳/碳復(fù)合陶瓷材料樹脂基體和粘合劑。
　　 以易于成型的SiO2/木粉/萘酚醛樹脂復(fù)合材料為陶瓷前驅(qū)體，在1550℃、氮?dú)獗Ｗo(hù)下發(fā)生碳熱還原反應(yīng)，得到了具有分級(jí)、有序孔結(jié)構(gòu)的SiC陶瓷。FTIR、XRD的研究結(jié)果表明SiC多孔陶瓷的主要組成是β-SiC，場(chǎng)發(fā)射掃描

6、電鏡（FESEM）形態(tài)學(xué)研究表明陶瓷保留了木材組織分級(jí)、有序多孔結(jié)構(gòu)。
　　 以SiO2/木粉/萘酚醛樹脂復(fù)合材料的高溫裂解產(chǎn)物作為硅源和碳源，成功制備了具有獨(dú)特的鏈珠狀β-SiC長(zhǎng)纖維。形態(tài)學(xué)研究結(jié)果表明，纖維的直徑1～2μm，長(zhǎng)度可達(dá)幾百微米，在長(zhǎng)鏈上均勻的分布著直徑為3～5μm的微珠。實(shí)驗(yàn)的分析、檢測(cè)結(jié)果表明，鏈珠狀SiC纖維的生長(zhǎng)過程為：碳熱還原反應(yīng)過程中，先按[111]方向外延性生長(zhǎng)成直線型SiC晶須，而在（111）晶

7、面內(nèi)存在結(jié)構(gòu)缺陷（堆垛層錯(cuò)），再圍繞SiC長(zhǎng)鏈晶須表面的缺陷處生成新的SiC晶核，由此外延性生長(zhǎng)形成包裹在長(zhǎng)鏈上的SiC微珠，最后形成鏈珠狀SiC纖維。
　　 4、以具有“韌”“硬”特性的SiO2/木粉雜化材料作為填料、尼龍6（PA6）為高分子基體，采用雙螺桿熔融擠出，成功制備了PA6/SiO2/木粉雜化復(fù)合材料。XRD的研究結(jié)果表明，SiO2/木粉雜化材料起著晶型轉(zhuǎn)變劑的作用，促進(jìn)了PA6的α晶型向γ晶型轉(zhuǎn)變。DSC的研究結(jié)果

8、表明，SiO2/木粉雜化材料顯著的提高了PA6的結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率。PA6/SiO2/木粉雜化復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。隨著SiO2/木粉雜化材料含量的增加，復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度增大。
　　 與PA6相比，SiO2/木粉雜化材料的含量為25 wt.％時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度由48.6MPa增加到59.7MPa，提高了23.3％；彎曲強(qiáng)度由55.0 Mpa增大到87.9 Mpa，提高了59.8％。KH550偶聯(lián)劑、E-44環(huán)氧

9、樹脂的表面處理提高了SiO2/木粉雜化材料與PA6基體的相容性，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　 5、采用混煉法分別制備了甲基乙烯基硅橡膠與木粉、SiO2/木粉雜化材料的雜化復(fù)合材料，探討了填料用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著木粉、SiO2/木粉雜化材料加入量的增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率降低。撕裂強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)木粉加入量為20phr 時(shí)，達(dá)到最大值kN/M15.9和13.1kN/M 最大值。木粉、

10、SiO2/木粉雜化材料的加入提高了硅橡膠的硬度。對(duì)木粉、SiO2/木粉雜化材料表面改性的硅烷偶聯(lián)劑KH570的用量分別為2和1 wt.％時(shí)，可以改善填料與硅橡膠的界面相容性，提高硅橡膠復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。
　　 以可成型的甲基乙烯基硅橡膠/SiO2/木粉雜化復(fù)合材料在氮?dú)夥罩小⒏邷亓呀庠簧蒘iO2/SiC 陶瓷。硅橡膠先裂解形成無定形的SiCxOy 陶瓷，再發(fā)生結(jié)構(gòu)重排生成SiO2/SiC，而SiO2/木粉雜化材料裂解生