气凝胶型木材的制备及环境学特性分析

论文摘要

气凝胶结构具有一定的轻质特性和特殊的声、光、热学性质,如若能和木质材料的建筑物理以及环境学特性结合起来,无疑能创新其使用功能和使用范围。本文基于气凝胶的结构特征,结合轻质木材的天然构造特性,提出基于木材主要成份并仿木材细胞构造而生的气凝胶型材料（简称“气凝胶型木材”）制备思想,并力图充分发掘其环境学特性,尝试推出一种具有新的环境学性质和特殊功能效果的木质基材料。选用天然轻质木材（山黄麻Trema orientalis）的加工剩余物作为纤维素原料,对其用离子液体溶解处理后,再经超临界干燥过程得到气凝胶型木材。论文首先对这种新型材料的微观结构、化学组分结构、晶型、密度等物理性质进行了表征和分析,既而又重点从视觉、触觉、声学、环境稳定性角度分析了它的环境学特性。主要包括从视觉物理、视觉心理、视觉生理等方面分析视觉环境学特性,从触觉粗糙度、接触摩擦性、导热性质、软硬性质、滑动性能和步行感等方面评价触觉环境学特性,从吸声降噪特性角度分析了其构建新型气凝胶型木质吸声板的效果及应用前景,从表面复合无机纳米晶相以获得超疏水效果的角度来分析改善其环境稳定性和获得自洁性表面的技术方案。主要结果和结论如下：（1）选用1-丙烯基-3-甲基咪唑离子液体和超临界干燥工艺制备得到的气凝胶型木材,溶解后重新形成的纤维素纤维束作为支撑骨架构成了不闭合的三维交联网络,具有与轻质木材相近的微观结构以及稳定的化学、物理性质,绝干密度为0.221g/cm3,孔隙率超过87%。（2）气凝胶型木材的明度值L*分布在80.22～84.16之间,饱和度C*值分布在15.90～20.19之间,米制红绿轴色品指数a*在3.51～5.18之间,米制黄蓝轴色品指数b*在15.51～19.64之间,光泽度值仅为4.1%。采用气凝胶型木材装饰室内空间可以呈现“自然”、“舒适”、“素雅”和“明快”的视觉心理印象。视觉生理方面对人眼的刺激作用较小,不会引起视觉疲劳、烦躁和不舒服。（3）气凝胶型木材的导热系数值为0.054W/（m·K）,导温系数为444×10-10m2/s,可以作为保温隔热材料使用；气凝胶型木材内部腔室的最大直径为364gm,平均直径为285.5μm,表面粗糙度的轮廓算术平均偏差（的Ra）测试值为12.06μm,接触时的心率变异、动态血压等生理指标变化幅度较小,与云杉木材相近或略低,给人以适宜的刺激,可应用于室内与人体密切接触的部位。（4）气凝胶型木材地板上行走时的步态动力学分析结果表明,气凝胶型木材显示出与天然木材的相似性,网络结构对人体踩踏具有很强的支撑作用,并具有一定的弹性作用,能够吸收冲击缓解膝盖疲劳,静摩擦系数与动摩擦系数之差几乎为零,对人体造成的生理负荷较小。（5）气凝胶型木材的驻波管法平均吸声率为43.50%,在中高频1000Hz和2000Hz的吸声系数分别为82.7%和71.2%,属于良好的吸声降噪特性。以气凝胶型木材为芯层构成木质吸音板后,平均吸声率提高到57.6%,降噪系数为0.64,可达到Ⅱ级降噪吸音板的要求。（6）通过低温水热结晶工艺,在气凝胶型木材表面原位复合YiO2纳米晶层之后,对气凝胶型木材进行接触角测试、霉菌抑制分析、甲醛释放量测试。结果表明,这种处理赋予了气凝胶型木材良好的表面自清洁性、环境稳定性、耐久性,并具有对空气有机污染物的净化作用。综合而言,本研究所制备的气凝胶型木材具有与天然木材相近或更优的室内微环境学特性,应用于特定场合能够为人们提供更优的室内环境质量。同时,这种绿色化学加工得到的新型木质基材料可以将树木生长吸存的碳继续固定和储存,在低碳、环保方面也具有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 气凝胶
• 1.2 气凝胶型木材
• 1.2.1 气凝胶型木材的研究背景
• 1.2.2 气凝胶型木材的制备理论基础
• 1.2.3 基于离子液体的纤维素溶解和再生
• 1.2.4 超临界干燥技术与气凝胶型木材形成
• 1.3 气凝胶型木材的环境学特性
• 1.3.1 气凝胶结构材料的智能效应
• 1.3.2 气凝胶型木材的环境学特性研究方法
• 1.4 本论文的研究任务
• 1.4.1 论文目标
• 1.4.2 论文内容
• 1.4.3 论文研究方案
• 2 材料和方法
• 2.1 气凝胶型木材的制备和表征
• 2.1.1 实验原料及制备仪器
• 2.1.2 制备方法及工艺
• 2.1.3 表征手段
• 2.2 气凝胶型木材的视觉环境学特性分析
• 2.2.1 视觉物理量
• 2.3 气凝胶型木材的触觉环境学特性分析
• 2.3.1 粗糙性状
• 2.3.2 摩擦性
• 2.3.3 热学性质
• 2.3.4 步行感特性
• 2.3.5 心理学主观调查方法
• 2.3.6 生理学测试方法及指标
• 2.4 气凝胶型木材的吸声特性
• 3 气凝胶型木材的结构与性质
• 3.1 微观结构
• 3.1.1 气凝胶型木材的微观结构
• 3.1.2 气凝胶型木材与天然轻质木材微观结构的比较
• 3.2 化学组分基团分析
• 3.3 结晶结构分析
• 3.4 离子液体对纤维素溶解机理
• 3.5 本章小结
• 4 气凝胶型木材的视觉环境学特性分析
• 4.1 气凝胶型木材光泽度分析
• 4.1.1 气凝胶型木材表面的光泽度
• 4.1.2 气凝胶型木材的表面结构与光泽度
• 4.2 气凝胶型木材材色分析
• 4.3 气凝胶型木材表面视觉特征对视觉情感心理的影响
• 4.3.1 气凝胶型木材材色对视觉情感心理的影响
• 4.3.2 气凝胶型木材的知觉情感对视觉心理的影响
• 4.4 气凝胶型木材表面视觉特性与人的视觉生理量的关系
• 4.4.1 视觉生理反馈结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 气凝胶型木材的触觉环境学特性分析
• 5.1 气凝胶型木材表面粗糙度与接触粗滑感特征
• 5.1.1 气凝胶型木材表面粗糙度对人体生理、心理的影响
• 5.2 气凝胶型木材的热学性质与接触冷暖感特性
• 5.2.1 气凝胶型木材的热学性质
• 5.2.2 气凝胶型木材的接触冷暖感觉特性
• 5.2.3 气凝胶型木材触觉特性对人体心理的影响
• 5.3 气凝胶型木材的步行感特性分析
• 5.3.1 步行时的摩擦性
• 5.3.2 步行时的软硬性
• 5.3.3 地板上行走时的动力学研究
• 5.3.4 气凝胶型地板材料的滑动性能
• 5.3.5 不同地板对人体皮肤温度的影响
• 5.4 本章小结
• 6 气凝胶型木材的吸声性能分析
• 6.1 气凝胶型木材吸声性能分析
• 6.2 气凝胶型木材吸声构造对吸声性能的影响
• 6.3 气凝胶型木质吸声板的工艺设计与分析
• 6.4 气凝胶型吸声材料的应用前景
• 6.5 本章小结
• 7 气凝胶型木材环境学特性的模糊评价
• 7.1 模糊评价方法
• 7.1.1 材料环境学特性的模糊性
• 7.1.2 评价指标集的建立
• 7.1.3 权重集的建立
• 7.1.4 评语集的建立
• 7.1.5 单指标评价矩阵的建立
• 7.1.6 模糊评价结果集
• 7.1.7 合成算子的选择
• 7.2 气凝胶型木材环境学特性的模糊评价模型的构建
• 7.2.1 评价模型的构建思路
• 7.2.2 多层次指标评价体系的建立
• 7.2.3 建立评价指标集
• 7.2.4 建立材料评价指标的权重集
• 7.2.5 建立材料评价指标的评语集
• 7.2.6 建立被评价材料的单指标评价矩阵
• 7.2.7 建立模糊综合评价模型
• 7.3 本章小结
• 8 气凝胶型木材的疏水性改良
• 8.1 荷叶表面超疏水性能的机理
• 2涂层的制备'>8.2 超疏水表面TiO₂涂层的制备
• 8.2.1 试验材料
• 8.2.2 试验方案
• 8.2.3 结构分析表征
• 8.2.4 超疏水表面接触角测量
• 8.3 结果与分析
• 8.3.1 表面化学组分分析
• 8.3.2 结晶构造分析
• 8.3.3 表面形貌分析
• 8.3.4 表面接触角测量分析
• 8.4 气凝胶型木材对室内空气品质的影响
• 8.5 小结
• 9 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢