酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料改性研究

论文摘要

聚合物/蒙脱土（MMT）纳米插层复合材料,是目前研究最多、最引人注目的复合材料。我国的蒙脱土矿藏资源十分丰富,独特的结构,适宜的离子交换容量,优良的力学性能及低廉的价格,使得蒙脱土成为制备新型高性能纳米插层复合材料的最重要的一类无机物。应用纳米插层复合技术,使蒙脱土以纳米尺寸对木材胶粘剂进行改良或改性是木材科学领域的新课题,具有重大的理论意义和实用价值。本论文首次提出了木材胶粘剂酚醛树脂/蒙脱土纳米插层复合的技术路线及在人造板工业中的应用。本论文的探索性研究,为木材胶粘剂酚醛树脂改性提出了新的思路,为木材胶粘剂/无机复合材料的研究开拓了新的途径。本文通过对木材用胶粘剂酚醛树脂进行纳米蒙脱土改性,利用一步和两步插层法制备了PF/MMT纳米复合材的预聚体,用高温加压的制板工艺,让树脂固化,释放的能量使树脂分子进一步插入到蒙脱土层间,从而形成纳米复合材料。通过对不同F/P摩尔比树脂添加不同蒙脱土类型、不同蒙脱土用量、不同助剂及不同合成方法等因素对酚醛树脂/蒙脱土改性树脂胶合性能的影响研究,并且利用X射线衍射（XRD）,基质辅助激光解析电离飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）,差示扫描量热法（DSC）和热机械分析（TMA）等手段对制备的复合材料进行了结构和性能的表征分析,可以得出以下结论:1、MALDI-TOF质谱图分析表明本实验中的酚醛树脂是三维的结构,PUF共缩聚树脂结构以酚醛树脂为主体,特别是聚合物的链接方式,因此PUF树脂通常具有与传统酚醛树脂相同的性能表现,不同摩尔比的酚醛树脂对插层效果没有明显的影响。2、蒙脱土对各酚醛树脂的改性作用主要表现在耐沸水煮后的胶合强度的增加。XRD的结果表明NaMMT有一定程度的插层,而不是剥离。而胶合板性能检测结果表明在酚醛树脂（PF）和苯酚-尿素-甲醛（PUF）共缩聚树脂中混入少量的钠基蒙脱土可以提高树脂的耐水性,正是由于蒙脱土层间距有少量的增加,部分酚醛树脂进入到蒙脱土层间,形成一定程度插层。3、DSC和TMA的分析表明NaMMT对PF树脂有加速固化的作用,弹性模量随着温度的作用增加,加了NaMMT的树脂的弹性模量最大值增大。为使树脂性能得到较好的改进,蒙脱土的添加量不宜太多,1%～3%是一个较合适的范围。4、胶合板性能检测结果表明,添加尿素有助于提高酚醛/蒙脱土改性树脂的性能。尿素的NH2+能与蒙脱土层间的阳离子进行交换,利用尿素把酚醛树脂分子带到蒙脱土的层间。与未加尿素的改性树脂相比,无论是干状的还是沸水煮后的树脂的胶合强度都有明显提高。5、水溶性酚醛树脂与蒙脱土有较好的相容性,可得到部分插层型的酚醛树脂/蒙脱土纳米插层复合体,胶合板性能检测结果表明,酚醛树脂/蒙脱土纳米插层复合体的干状和湿状胶合强度都有明显提如同高,复合体中的蒙脱土与酚醛树脂分子间可能通过氧原子发生了较强的连接。由于苯酚和甲醛单体较酚醛树脂分子更容易进入蒙脱土的层间,在合成树脂的过程中加入蒙脱土的一步插层法比先按传统方法合成树脂,再加入蒙脱土与之混合的两步插层法,所得的酚醛树脂/蒙脱土纳米改性树脂的性能更好。在本实验中的PF/MMT的纳米复合效应并不显著。但木材胶粘剂/蒙脱土纳米复合材料的性能存在很大的发展潜力和开发前景,值得进一步深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物纳米复合材料
• 1.2.1 纳米材料
• 1.2.1.1 纳米材料概念
• 1.2.1.2 纳米材料特性
• 1.2.2 纳米复合材料
• 1.2.3 聚合物基纳米复合材料
• 1.2.3.1 聚合物基纳米复合材料的制备方法
• 1.2.3.2 聚合物基纳米复合材料的性能及应用
• 1.3 聚合物/粘土纳米复合材料
• 1.3.1 聚合物/粘土纳米复合材料国内外研究进展
• 1.3.2 蒙脱土的结构与特性
• 1.3.2.1 蒙脱土的结构
• 1.3.2.2 蒙脱土的特性
• 1.3.2.3 蒙脱土的改性
• 1.3.3 聚合物/粘土纳米复合材料的结构
• 1.3.4 聚合物/粘土纳米复合材料的制备方法
• 1.4 酚醛树脂高性能化改性的研究
• 1.4.1 酚醛树脂的概述
• 1.4.2 酚醛树脂的改性研究
• 1.4.2.1 增韧性
• 1.4.2.2 耐热性
• 1.4.2.3 纳米材料改性PF
• 1.5 本论文研究的目的和意义
• 2 蒙脱土改性酚醛树脂的制备及在人造板中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 试验部分
• 2.2.1 酚醛树脂的制备
• 2.2.1.1 原料与设备
• 2.2.1.2 反应原理
• 2.2.1.3 合成工艺
• 2.2.2 酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料的制备
• 2.2.3 胶合板制备与检验
• 2.2.3.1 原料与设备
• 2.2.3.2 板材制备与检验
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 两步法不同类型蒙脱土对酚醛树脂性能的影响
• 2.3.2 两步法添加不同助剂对酚醛树脂
• 2.3.3 不同合成方法对酚醛树脂/蒙脱土改性树脂胶合性能的影响
• 2.3.4 一步法蒙脱土类型对树脂胶合性能的影响
• 2.3.4.1 蒙脱土类型对PF1 树脂的影响
• 2.3.4.2 蒙脱土类型对PF2 树脂的影响
• 2.3.4.3 蒙脱土类型对PUF 树脂的影响
• 2.3.5 蒙脱土添加量对树脂性能胶合强度的影响
• 2.3.5.1 对PF1 的影响
• 2.3.5.2 对PF2 的影响
• 2.3.5.3 对PUF 的影响
• 2.4 小结
• 3 蒙脱土改性酚醛树脂性能测试与结构表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 酚醛树脂的制备
• 3.2.2 酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料的制备
• 3.2.3 性能测试与结构表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 XRD 分析
• 3.3.2 MALDI-TOF-MS 谱峰归属分析
• 3.3.3 DSC 分析
• 3.3.4 TMA 分析
• 3.4 小结
• 4 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢