纳米SiO2/蒙脱土稳定石蜡基Pickering乳液体系的构建及其在木材中的渗透和作用机理

In order to overcome the shortcomings of paraffin wax emulsions in functional modification of wood, a compound system of oil in water (O/W) paraffin wax based Pickering emulsion stabilized by silane-modified nano SiO2 to envelop paraffin wax droplets and exfoliated montmorillonite (MMT) layers to form 3-dimensional network between those droplets is proposed to build up to serve as a small particle sized, highly stable and multifunctional wood modifying agent. The penetration of these emulsions in wood under various impregnation process parameters as well as the breaking mechanism of the emulsions during penetration and followed drying processes will be studied. By changing the impregnation and drying process parameters, the emulsion breaking process was controlled to fulfill a reasonable distribution and interaction of the emulsion ingredients in wood structure. Then the physical and mechanical properties, dynamic viscoelasticity, decay resistance, fire resistance, and anti-weathering properties are investigated. The dielectric properties and moisture adsorption behavior will also be investigated to study the influence of emulsion treatment on hydroxyl groups in wood, based on which some models can be developed to explain the mechanism of properties’ change. This study applies the state-of-art emulsion dispersion theory and technologies in the region of wood functional modification, which will initiate the build-up of the theoretical system on wood modification by using emulsions, and further facilitate the development of innovative multi-functional wood modifying agents.

为了克服石蜡乳液在木材功能性改良方面的不足，本研究构建以硅烷改性纳米SiO2包覆石蜡液滴、剥离状蒙脱土片层三维网络结构协同稳定的水包油型石蜡基Pickering乳液复合体系，制备低粒径、高稳定性、多功能的木材改性剂。研究石蜡基Pickering乳液组分在不同处理工艺条件下在木材中的渗透规律以及乳液体系在渗透和后期干燥过程中的破乳机理，并通过调节浸渍和干燥工艺参数对破乳过程进行调控，从而实现乳液组分在木材构造中的合理分布和相互作用。考察处理材的物理力学性能、动态粘弹性、耐腐性、阻燃性、耐老化性等各项性能，并通过考察处理材的介电特性和水分吸附特性，研究乳液处理对木材中羟基的影响规律，从而构建相关模型解释其性能影响机理。该研究将前沿的乳液分散理论与技术应用于木材功能性改良领域，将指导乳液型木材改性理论体系的建立，进而推动新型多功能木材改性剂的技术开发。

木材是可再生的生物质材料，可用于建筑、家具、装修等各个领域，但其吸水吸湿性、易燃性等性能限制了其应用效果及应用范围。石蜡是一种常用的木材防水剂，通常采用表面活性剂制备成乳液使用，但是表面活性剂的大量使用不利于处理材的防水效果的发挥。本项目采用SiO2和蒙脱土（MMT）作为固体稳定剂制备石蜡基Pickering乳液，通过替代或部分替代表面活性剂提高改性材的疏水性和尺寸稳定性，同时在一定程度上降低石蜡对改性材阻燃性的负面影响。研究内容主要包括：（1）不同pH值条件下SiO2溶胶体系及其处理材性能研究，以及SiO2协同稳定石蜡基Pickering乳液的制备、表征和处理材性能研究；（2）SiO2/MMT（SMC）杂化粒子的制备和表征，以及SMC协同稳定Pickering 乳液的制备、表征及处理材性能研究；（3）通过硅烷MPTS改性SiO2调节杂化粒子的亲水性，制备了MPTS改性SMC稳定石蜡基Pickering乳液，并研究其处理材性能，提出石蜡基Pickering乳液木材性能改良机制。研究得到了两种优化的适用于木材改性的石蜡基Pickering乳液制备技术：SiO2协同稳定石蜡基Pickering乳液，与只采用表面活性剂的配方相比，添加少量SiO2固体颗粒后乳液粒径进一步降低（如添加1%SiO2后平均粒径低于190nm）且在一定时间范围内保持相对稳定；MPTS改性SiO2/MMT杂化粒子稳定石蜡基Pickering乳液，该乳液50%粒径集中在210nm以下，乳液稳定性优良，400℃以下热稳定性和表面疏水性显著提高，表面硬度和抗压强度也均有提升。本项目探讨了一种新型的分散体系——Pickering乳液在木材保护中应用的可能性，具有开创性的意义。研究还丰富了相关研究基础，如不同pH值硅溶胶的特征及其处理木材的性能，以及有机硅烷与无机SiO2协同在木材上构建多层级粗糙表面的研究等，这些研究为本研究目标的实现奠定了基础，也使研究体系更为完整；同时，研究还在应用方面进行了拓展，除了本研究目标中设定的在实木领域的应用外，还开展了Pickering乳液在木塑复合材料的功能化改性中的应用研究。