木材高效塑化功能改良用离子液体的合成及作用机理研究

为了降低木塑复合材料成本，提高其加工性能和产品的使用性能，实现木材资源的高效利用，本项目利用木材本身固有的粘弹性，筛选、合成功能性离子液体作为木材的塑化剂，促使木材的软化温度降低，在高温强力环境下赋予木材较高塑性，进而利用热塑性材料的塑性加工成型方法，制备木材含量高达85%以上的高性能环境友好木塑复合材料，同时对木材进行特定功能性改良，实现一剂多效。重点研究以下内容：（1）筛选不同分子结构的离子液体，在分子结构与木材各主要组分热动态性能之间建立相互联系，揭示结构-性能关系的基本规律；（2）合成具有特定官能团的离子液体，实现对木材增塑和防腐、改善界面结合等功能性改良；（3）研究在高温高压下离子液体处理对木材塑化特性的影响，揭示木材动态塑化基本规律并建立调控方法；（4）研究离子液体处理对木材表面特性的影响；（5）研究离子液体处理木材及其木塑复合材料的耐微生物腐朽作用。

木塑复合材在挤出加工过程中存在着高木材填充量时带来的加工困难、界面结合强度低、材性变差等问题。改善木材的热塑性，能在很大程度上解决高木材含量的木塑复合材料成型加工问题。但由于木材细胞壁中纤维素的结晶度高以及细胞组分间相互作用，使其表现出较高的刚性，不能受热熔化。针对这一难题，本研究提出以离子液体为塑化剂，研究高温下剪切应力作用下木材细胞壁的塑化，为高木粉含量下木塑复合材料的塑化加工提供方法借鉴。. 以杨木为研究对象，通过去除杨木细胞壁中的半纤维素和/或木质素），对细胞壁提取物的形态、化学结构、晶型及结晶度和热稳定性等性能进行了系统的表征。结果表明，去除半纤维素/木质素导致结晶度增加，木材中半纤维素的热稳定性最差，木质素的热稳定性最好。利用所获得的细胞壁提取物分别与高密度聚乙烯复合，流变分析显示，刚性的纤维素/HDPE熔体导致的扭矩最大，熔体黏度最大，表明木材三种主成分中纤维素是阻碍细胞壁塑性加工最重要的因素，木质素其次，半纤维素对挤出加工影响最小。. 利用荧光显微镜对离子液体处理过程中细胞壁润胀现象进行了观察，润胀主要发生在纤维素浓度高的S2层，木质素网络大分子富集区胞间层润胀相对要小很多；FTIR和XRD结果显示，咪唑乙酸盐的溶胀作用要较咪唑氯盐好。离子液体处理后细胞壁结晶区的晶型均由纤维素I型变为纤维素II型。离子液体处理木材的动态吸湿速率和吸湿量明显增加，但处理木材经水洗去除离子液体后，处理材的吸湿性能与未处理材相当，这表明，溶胀后的细胞壁可能在水洗干燥处理过程中又重结晶。离子液体处理木材的拉伸强度明显下降，表面离子液体破坏了细胞壁层结构。离子液体处理可赋予木材很好的热塑性，随着离子液体浓度的增加，处理木材的软化温度可从150℃降低到70℃，在高温作用下，离子液体处理木材压缩发生塑性变形并固定，这表明木材细胞壁层大分子间氢键在高温压缩过程中被破坏，冷却后新的氢键形成，从而固定木材变形。. 以离子液体[Bmim]Cl处理的木粉、HDPE、润滑剂、偶联剂MAPE为主要原料进行复合材料制备，与无离子液体处理的复合材料相比较，离子液体处理所获得的复合材料中木粉分散更均一，界面结合良好，挤出过程中熔体黏度降低，对力学性能影响不大；材料的表面电阻率和体积电阻率随[BMIM]Cl添加量的增大有所降低，具有抗静电功能。