水性超支化聚丙烯酸酯分散蒙脱土在木材内的渗透及改性作用机理

Introducing modifiers into wood cell walls and chemically reacting with cell wall components are the key methods to improve properties of wood. In the light of the difficulty on the dispersion and the permeability of nano-montmorillonite in wood by water, this project uses environmental friendly acrylates as raw materials. A “tree structured” waterborne hyperbranched polyarylate dispersed montmorillonite compound modifier is prepared by in situ polymerization and hyperbranched reaction, where the intercalated or exfoliated montmorillonite layers are achieved. The prepared compound modifier will be used in wood modification through one-step impregnation process. Thus, the dispersed montmorillonite layers and hyperbranched polyacrylate are penetrated into wood cell walls. The permeability of montmorillonite and hyperbranched polyacrylate in wood and the morphology and distribution after dying solidification are investigated. The effects of modification on the dimensional stability, mechanical and thermal properties as well as their chemical reaction with wood components are studied, which aims to clarify the coordination reinforcing mechanism of the compound modifier. The results of this project can provide a new idea on developing a kind of environmental friendly wood compound modifier and its resulting well performing wood product, which has scientific significance on the functional modification of wood.

将改性剂引入到木材细胞壁内并使其与细胞壁组分发生化学反应是有效提高木材性能的关键。针对纳米蒙脱土难以在水中稳定分散而渗透进入木材内的问题，本项目以环境友好的丙烯酸酯为原料，通过原位聚合法和超支化反应，制备“树形”水性超支化聚丙烯酸酯分散蒙脱土复合改性剂，使蒙脱土片层呈插层或剥离状态。将制备的复合改性剂用于木材改性，通过一步浸渍将分散的蒙脱土片层和超支化聚丙烯酸酯引入到木材细胞壁中。探索在浸渍过程中蒙脱土与超支化聚丙烯酸酯在木材内的渗透性及干燥固化后各组分在木材内的形态与分布。分析改性处理对木材尺寸稳定性、力学以及热性能的影响，并研究蒙脱土、聚丙烯酸酯与木材各组分的化学键作用机理，从而揭示多组分复合改性剂对木材各项性能的协同增效作用。研究成果可为开发一种环境友好的木制品复合改性剂及其性能优良的处理材提供新思路，对科学实现木材的功能性改良具有重要意义。

本项目通过Michel加成法、接枝法和自由基乳液聚合法合成了水性超支化聚丙烯酸酯乳液，并用以分散有机蒙脱土，制备了剥离型超支化聚丙烯酸酯分散蒙脱土乳液，解决了纳米蒙脱土难以在水中稳定分散而渗透进入木材细胞壁内的问题。项目探索了超支化聚丙烯酸酯和蒙脱土在木材中的渗透性，比较了复合改性剂乳液对不同树种木材增强效果的异同，对比分析了原位合成和多元醇交联对超支化聚丙烯酸酯分散蒙脱土两种分散法改性木材的效果，从而揭示了超支化聚丙烯酸酯及蒙脱土对木材的改性作用机理。研究主要结果为原位合成法可以制备剥离型有机蒙脱土/超支化聚丙烯酸酯乳液，实现了有机蒙脱土的稳定分散，且平均粒径约100nm，粘度较小，对木材的渗透性良好，环保性能优良。通过真空-加压浸渍处理的方法，可将剥离的有机蒙脱土片层均匀引入到木材细胞壁内。相比松木，改性剂对杨木有更好的改性效果，且浓度在4%时效果较好。以聚乙二醇、聚乙烯醇、甘油、木质素等多元醇为交联分散剂可以直接将有机蒙脱土分散入超支化聚丙烯酸酯乳液中，提高蒙脱土的浓度及其在超支化聚丙烯酸酯乳液中的稳定性，并使多元醇在加热条件下与超支化聚丙烯酸酯发生酯化或氢键作用形成物理网络结构，进一步提高木材的性能。四种层间离子的有机蒙脱土均能够在多元醇/超支化聚丙烯酸酯乳液中稳定分散，放置24h后无沉淀和分层，同时乳液粒径与粘度基本无变化，其中低分子量聚乙二醇200的效果较好。有机蒙脱土层间离子中含有氨基、羟基、羧基等官能团能使蒙脱土片层更好地进入到木材细胞壁中，其中含有氨基官能团的增强效果较好。有机蒙脱土质量分数为2%即可实现较好的改性效果。本研究成果为开发一种环境友好的木制品复合改性剂及其性能优良的处理材提供了一种新思路，对科学实现木材的功能性改良具有重要的意义。