聚乙烯石蜡及其乳液对竹重组材改性的研究开题报告

1. 研究目的与意义

课题采用聚乙烯石蜡颗粒及其乳液通过热熔融或真空浸渍的方法对竹重组材进行改性处理，重点研究聚乙烯石蜡对竹重组材吸水性、尺寸稳定性等性能的影响，以达到提高其防水性的目的。竹重组材是近10年发展起来的一种新型竹质工程材料，是将竹材截断、剖分、碾压竹篾加缝、干燥、浸胶、竹篾全纵向平行组坯、冷压后置于烘房热固化而制成的一种密度大、强度高的结构用材。由于生产竹重组材对竹子原料要求不高，可充分利用丛生竹和小径竹，可以说是竹材利用的发展方向。目前竹重组型材主要用于生产室内地板、家具或者少量竹结构房，很受国内外市场欢迎。但是，作为一种速生生物质资源，竹材中含有较多蛋白质、糖份等营养物质，未经特殊改性处理的疏解竹篾加工成竹重组材后暴露出许多缺陷，例如易霉变、腐朽等，特别是用于室外时，在阳光和雨水的交替作用下，不管是地板、家具还是竹结构件，由于其吸水率高，厚度膨胀率大、胶合强度低、交变应力大等情况，导致的变形和开裂不可避免。聚乙烯石蜡是一种新型的石蜡改性产品，具有较好的防水性和稳定性，而且成本较低，改性工艺简单，故本研究采用聚乙烯石蜡对竹重组材进行改性，期望提高竹重组材的防水性能，增加产品的使用范围，提高产品的附加值。

2. 国内外研究现状分析

对木材进行防水处理是用防水剂提高木材对水的润湿、浸透的抵抗能力，防水剂通过对木材内外表面覆盖、堵塞纤维空隙、增大与水的接触角等措施，达到防水目的。常用的处理剂有石蜡、亚麻油、各种油漆和有机硅树脂。目前过内使用的木材人造板石蜡防水剂主要有固体石蜡防水剂、乳化石蜡防水剂和新型含蜡防水剂三种。brischke和melcher（2015）探究了溶融蜡对木材长期室外耐劣化效果，结果表明处理材可以显著的降低木材室外的腐朽程度、裂痕数量与长度。谢桂军等人将一种自配的非离子型石蜡乳液与常用型cca、acq木材防腐剂进行复配处理浸渍到木材当中，可以有效提高防水性能。bostjan lesar等人使用褐煤蜡乳液、聚乙稀蜡乳液和氧化聚乙稀蜡乳液浸渍处理挪威云杉，每项处理使用六个样品，六个未处理的作为对照，在25℃和65%相对湿度的条件下，浸渍3周。一个周期的人工加速风化（aaw）历时60min，由水喷雾（22min)，紫外和红外辐射（27min)和静置（11min）组成。在aaw之前或之后，通过傅里叶红外光谱和颜色测量表面，测定接触角和含水量。顾炼百指出运用真空-加压的方式，向木材注入溶融态的石蜡（顾炼百，2012），将融化的石蜡油注入载有木材的处理罐中，然后对处理罐抽真空－加压，同时加热。完成浸渍后，将多余的石蜡油排出罐外。石蜡油填充了木材的细胞腔，改性材的密度增加，吸湿性显著降低，尺寸稳定性提高，木材的力学强度和耐腐性亦提高。国内多将石蜡油处理法用于家具，特别是红木家具面板及室外地板和平台处理。石油蜡作为一种工业原料，其理化性质非常优良。注蜡过程中，石油蜡的熔点对于试验影响最大。

控制木材含水率是一种非常有效的保护木材的方式，竹材与木材类似，防水处理能有效保护竹材及其制品，尤其能提高竹材及其制品在户外或浴室等潮湿环境中的使用性能。通过防水处理，能有效缓解或解决竹材吸湿、吸水导致的尺寸变化、开裂等问题，并能提高药剂的抗流失性，从而在尺寸稳定性、防霉防腐性、耐久性等多个方面提高竹材的物理力学性能。防水性可定义为材料抵抗被水润湿、渗透的能力，抵抗润湿的能力可通过疏水法提高，抵抗渗透的能力可通过防渗法增强。竹材疏水法防水的主要方法有疏水表面制备法和热处理法，疏水效果的评价常用接触角等指标。田根林等以低表面能的甲基三氯硅烷为原料，利用常温常压化学气相沉积法在竹材表面自组装形成纳米棒阵列或纳米线网状结构而实现竹材表面超疏水。在竹材表面先构建tio2涂层，然后以低表面能的氟硅烷修饰，获得自清洁超疏水涂层，对水的接触达（1631）、滚动接触角为（31），而且这种表面通过1500目的sic砂纸在1.2kpa压力下摩擦表现出良好的机械稳定，180d暴露在空气中对水的接触角仍高达（1552）、滚动接触角为（62），具有大面积制备机械稳定性好、耐腐蚀、自清洁的超疏水的木质表面的潜力。防渗法主要通过填充竹材空隙、构建防渗层等方法实现，防渗效果的评价可采用吸水率、膨胀率、防水率及其衍生指标等。1957年，胡杏芳用三种涂膜涂在竹筋表面进行防水，阮金望采用松香及含有 10%pbo 的沥青作二次涂刷以降低竹材的吸水性，王进生试验了石油沥青、沥青液、松香、赛璐珞等对竹材的防水功能，聚乙烯醇缩丁醛也可以用作木材防水涂层和填缝剂。张融等以乳液聚合方式制备了硅烷偶联剂改性的丙烯酸酯乳液，通过添加丙环唑或有机碘化物开发出一种新型防霉乳液涂料涂饰到竹集成材上，试验结果表明，含 0.5%有机碘化物的防霉乳液具有优良的防霉防变色性能，并能有效地减缓水的渗透速度。竹集成材涂饰硅丙乳液后，初始接触角较素材更低，但因形成聚合物薄膜阻止了水分渗透而使接触基本不变，而素材孔隙多渗透性较好，接触角随时间延长迅速降低。邓志敏等采用大漆对竹材进行涂饰处理，以涂饰竹材的吸湿性、表面疏水性等综合评价大漆涂饰竹材的防潮性能。

此外，竹材防水效果检测方法也有不少研究。表面接触角是防水性能的一个重要指标，张融等以接触角等评价一种新型防霉乳液涂料涂饰到竹集成材后的防水性能。吸湿法评价的是材料在一定温湿度条件下吸收水蒸气的能力，与材料在潮湿场合使用的情形较为接近。bs en 927-4：2000标准就采用了吸湿法评估气态水（水蒸气）对户外木材用涂层的渗透性能。吸湿法的指标除了最基础的吸湿率，还有以吸湿率等计算出的阻湿率、单位面积涂层的水蒸气渗透率、平衡含水率的变化率等。吸水法评价的是材料吸收液态水的能力，与材料在长期接触水使用的情形较为接近，在竹材防水研究中，吸水法应用也较多，bs en 927-5: 2006标准也采用了吸水法评估液态水对户外木材用涂层的渗透性能。吸水法的指标除了最基础的吸水率，还有以试样比对照吸水率下降的百分比定义的拒水率等。根据李坚等的表述，防水性可定义为材料抵抗被水润湿、渗透的能力。接触角法更适合评价材料对水的润湿的抵抗力，是评价材料表面疏水性的有效手段，与水滴落到材料表面的情形较为接近.而吸湿法和吸水法更适合评价材料对水的渗透的抵抗力。吸湿法和吸水法比较，根据标准bs en 927-5：2006和 bs en 927-4：2000，吸水法比吸湿法（即气态水对涂层的渗透性评估方法）需要的时间长得多，也更简单易行，当需要快速比较涂膜阻隔防水效果时，可考虑选用吸水法。吸湿法与材料在潮湿场合使用的情形较为接近；吸水法与材料在长期接触水使用的情形较为接近。接触角法、吸湿法和吸水法等 3 种防水性能评价方法有各自不同的适用场合，应根据材料的用途、使用场合等选择合适的评价方法。

3. 研究的基本内容与计划

一、研究内容

本研究采用聚乙烯石蜡颗粒及其乳液通过热熔融或真空浸渍的方法对竹重组材进行改性处理，重点研究聚乙烯石蜡对竹重组材吸水性、尺寸稳定性等性能的影响，以达到提高其防水性的目的。

（1）聚乙烯石蜡颗粒对竹重组材改性工艺；

首先将聚乙烯石蜡颗粒进行熔化处理，然后在130℃下对样品进行注蜡处理，注蜡时间分别为2h、4h、6h和8h。

（2）聚乙烯石蜡乳液对竹重组材改性工艺；

将样品浸渍在聚乙烯石蜡乳液中，溶度为2%、5%、8%。采用真空-加压浸渍处理；

（3）改性竹重组材的性能评价。

通过对竹重组材的增重率、吸水性、尺寸稳定性、微观结构、接触角以及表面能进行检测，对聚乙烯石蜡对竹重组材性能进行评价。

二、研究方法

先将竹重组材样品在100℃下干燥12小时，取出称重G0，测量体V0。

聚乙烯石蜡乳液浸渍：将新型石蜡乳液（E6102）用蒸馏水分别配制成2%5%，8%的溶液，均匀搅拌。随后将试件置于浸渍罐中，进行真空-加压浸绩处理。真空度为-0.01MPa，真空时间为45min；加压压力为2MPa，加压时间为90min。浸渍完成后，将试件从浸渍罐中取出，擦干表面水分，并在80℃的条件下干燥到质量恒定，取出称重G1，测量体积V1。

聚乙烯石蜡颗粒浸渍：将聚乙烯石蜡颗粒在130℃下进行化蜡处理。当其融化后，将样品浸渍在石蜡中，在130℃下进行注蜡处理，注蜡时间分别为2h、4h、6h和8h, 然后将样品取出，继续放置在干燥箱内1个小时，以去除残留在表面的蜡液，取出称重G1，测量体积V1。

三、检测方法：

A.计算增重率、体积膨胀率：

增重率：(G1-G0)/G0; 体积膨胀率：(V1-V0)/V0

B.扫描电镜（SEM）分析:

采用日本Hitachi公司的S-3400扫描电子显微镜对处理材细胞壁中Si元素的分布进行观察。首先将待测试件沿着横切面切出５(L)mm5(T)mm3(R)mm大小

的光滑薄片。将薄片使用双面碳胶固定在样品台上，进行离子溅射喷金处理，随后进行观察。

C.接触角与表面能测试：

测试前，将试件在20℃，65%RH条件下调湿至质量恒定。将试件从中沿弦向方向切开，使用接触角测定仪 Dataphysics OCA20(Dataphysics Instruments GmbH，德国）测定试件新锯切出的弦切面上的接触角。测试方法为躺滴法，测试液体体积为２μL，测试时间为3s。使用三种液体进行测试，包括水、甲酰胺和二碘甲烷。

使用Lifshitz-van der Waals酸碱法计算处理材与未处理材的表面自由能。根据Van Oss等人（1988）的研究，总表面能可以由非极性分量

（Lifshitz-van der分量，γLW)和极性分量（Lewis酸碱分量，γAB)组成，即：γ =γLW γAB

Lewis酸碱分量可以由电子受体分量（γ ）和电子供体分量（γ-)表示，即：

γAB=2√γ γ-

固体和液体之间的界面能γSL可以由以下公式计算：

γSL=γS γL-2(√γS^LWγL^LW √γS γL^- √γS^-γL )

其中，γS是固体表面自由能（mJ/m²)，γL是液体的表面张力（mJ/m²)。

固体、气体与液体的表面能可以用杨氏方程表示，如以下公式所示：

cosθ=（γS-γSL)/γL

其中θ是液体在固体表面的接触角（）。

可得到公式：（1 cosθ）=2(√γS^LWγL^LW √γS γL^- √γS^-γL )

根据此公式、与不同液体（水、甲酰胺和二碘甲烷）在木材表面的接触角以及三种液体的表面自由能信息（如下表）可以计算处理材与未处理材的表面自由能。

D.吸水性测试：将处理材与未处理材在103℃条件下干燥至质量恒定，称重。随后将每组3个试件浸入去离子水中进行浸泡，经过24、48、72、96、120、144和168h的浸泡后，取出试件称量木材质量。

吸水率WAR=(Wn-W1)/W1, 防水效率WRE=(WARm-WARc)/WARc

其中，Wn(g)是经过n小时浸泡后木材的质量，WARm(%)是处理材的吸水率，WARc(%)是未处理材吸水率。

E.尺寸稳定性测试：测试前，先测定试件的弦向尺寸。将试件放置于盛有蒸馏水的膨胀测定仪（swellometer）中，测量经30、60、90min浸泡后木材的弦向尺寸变化。

弦向尺寸变化率TSR=TS/TD;

抗膨胀效率ASE=(TSRm-TSRc)/TSRc

其中，TS(mm)是试件弦向膨胀尺寸，TD(mm)是试件初始弦向尺寸，TSRm(%)是处理材的弦向尺寸变化率，TSRc(%)是未处理材的弦向尺寸变化率。

三、研究计划

⑴ 2018.01-2018.02：撰写开题报告、实验原料准备；

⑵ 2018.02-2018.03：聚乙烯石蜡对竹重组材改性试验；

⑶ 2018.03-2018.04：性能检测；

⑷ 2018.05-2018.06：论文撰写及答辩。

4. 研究创新点

本研究采用聚乙烯石蜡及其乳液对竹重组材进行浸渍处理，聚乙烯石蜡是一种新型的石蜡改性产品，耐磨性好、硬度高，具有较好的防水性和稳定性，而且成本较低，改性工艺简单。