有机掺杂地质聚合物互穿网络结构的调控及对木材胶接性能的影响

Geopolymer consists of a brittle polymeric Si-O-Al framework, with SiO4 and AlO4 tetrahedra joint by sharing O atoms. Low bonding strength between geopolymer and wooden resources is mainly caused by the high brittleness and low interfacial compatibility of geopolymer’s network. Organic polymers have been mixed with geopolymer by organic-inorganic hybrid methods to deal with the brittle problems of geopolymer, and to enhance the interfacial compatibility between geopolymer and organic materials. The interpenetrating polymer network (IPN) structure of this organic polymers-geopolymer composites, however, is difficult to realize and be controlled. This project aims to produce the organic hybrid geopolymer binder for wood with controllable IPN structure through the activated reaction. Metakaolin and styrene-acrylic emulsion are used as the inorganic and organic portions of the reaction resources, respectively. This project focus on the controllable IPN structure of organic hybrid geopolymer binder; set up a structure-property relationship between the IPN structure and bonding properties; analyze the influence mechanism of IPN structure on the bonding properties; and finally, build an association system with the consistency of controllable structure, bonding performance, and impact mechanism. Prospective results of this project will provide new ideas for the design and preparation of advanced organic hybrid geopolymer binder for wooden materials, and serve as a basis for further research and applications.

AlO4和SiO4聚合网络结构的高脆性和低界面相容性，是地质聚合物低强度胶接木材的根本原因，而目前采用的与有机物简单共混方法难以形成可控的互穿网络结构，对地质聚合物的韧性和界面相容性改善有限。本项目以偏高岭土为地质聚合物原料，以苯丙乳液为有机掺杂物，经碱激发、有机掺杂和养护成型制备有机掺杂地质聚合物基木材胶黏剂。重点通过调节制备工艺参数实现有机掺杂地质聚合物互穿网络结构的可控制备；建立有机掺杂地质聚合物互穿网络结构与胶接性能之间的构效关系；从基体增韧和界面增容角度解析互穿网络结构对有机掺杂地质聚合物基木材胶黏剂胶接性能的影响机制，最终构建结构与性能统一的“可控结构—胶接性能—影响机制”关联系统。本项目预期成果将为高胶接性能地质聚合物基木材胶粘剂的设计与制备提供新思路，对地质聚合物胶接人造板的开发具有重要意义。

AlO4和SiO4聚合网络结构的高脆性和低界面相容性，是地质聚合物低强度胶接木材的重要原因，而目前采用与有机聚合物简单共混的方法对地质聚合物网络结构的韧性和界面相容性改善有限。基于有机聚合物、地质聚合物和木质材料的性质，本项目提出采用偶联剂桥接有机聚合物与地质聚合物形成有机/无机互穿网络结构聚合物的新方法，通过对有机掺杂地质聚合物的增强致韧和界面增容机理进行解析，从基体和界面两个维度阐明其高性能胶接木材的作用机制；同时在解明地质聚合物胶接木材界面结构的基础上，提出木材表面物理和无机化改性方法，构建多元互穿网络结构胶接界面，进一步完善地质聚合物高性能胶接木材的机制与方法。结合精准的物化结构和性能测定分析方法，本项目对地质聚合物、木材和地质聚合物胶接木材界面的结构和性能进行表征和分析，研究结果表明：在偶联剂桥接作用下，采用适量的苯丙乳液、聚氨酯和大豆蛋白等有机聚合物对地质聚合物进行掺杂，使得有机聚合物在地质聚合物中分布更为均匀，进而形成更为致密的有机聚合物/地质聚合物互穿网络基体结构和更为深入的地质聚合物/木材互穿网络界面结构，使得基体强韧性、润湿性和湿态胶接强度得到一定提高，干态胶接强度得到大幅度增强；但由于有机聚合物与地质聚合物的材性不相容性，在少量或过量掺杂偶联剂时，有机聚合物易团聚形成以有机聚合物为“岛”的“岛-海”结构，进而导致地质聚合物地质化反应程度下降，地质聚合物致密性和强韧性得不到提升，因此对木材胶接性能增强不明显；构建出木材与地质聚合物之间存在立体机械联锁区、界面物质分散区和壁层渗透区多层次界面结构模型，发现了由于木材碱降解作用而形成的弱界面层结构，阐明了地质聚合物耐水胶接性能差的主要原因；通过对木材表面进行氯化钙溶液预处理，构建出了其与地质聚合物形成的硅铝酸盐高性能无机化界面层，从对碱液的阻滞和离子键胶接的形成两个角度，阐明了耐水胶接强度的增强机理。