杉木/納米SiO2復(fù)合材料制備及其耐磨性能研究

陳 超，袁光明

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

杉木/納米SiO2復(fù)合材料制備及其耐磨性能研究

陳 超，袁光明

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

先對(duì)納米SiO2進(jìn)行改性分散，得到穩(wěn)定的懸浮液，利用雙真空法，直接浸漬杉木，先采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法來篩選較為優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，再通過正交法進(jìn)一步確定優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)真空度為0.095 MPa，保真空時(shí)間為100 min，杉木含水率10%，浸漬次數(shù)為2次時(shí)，杉木增重率最大，達(dá)5.1%，耐磨性能提高20.63%。

杉木；納米SiO2；復(fù)合材料；制備；性能分析

木材是人們最喜愛的眾多材料中唯一可以再生的材料，人們對(duì)木材的需求也越來越大。人工林（如：杉木、楊木、桉樹等）的迅速發(fā)展緩解了對(duì)木材大量需求的壓力，但是人工林木材材質(zhì)松軟、強(qiáng)度低、不耐磨、尺寸不穩(wěn)定等缺陷，使其使用范圍和所生產(chǎn)產(chǎn)品的應(yīng)用受到限制[1-2]，因此采用相應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行改性可提高人工林木材的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。無機(jī)納米粒子作為復(fù)合填充劑在木質(zhì)復(fù)合材料以及其他符合材料中已有著廣泛的應(yīng)用[4-6]，其具有其他塊體材料所不具有的特性，如：量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等，使其有很強(qiáng)的表面活性與超強(qiáng)的吸附能力，極易與木材內(nèi)部組分鍵合從而形成牢固的結(jié)合[7-8]。本研究利用納米二氧化硅粒子與杉木進(jìn)行復(fù)合，形成的杉木/納米SiO2復(fù)合材料，不僅提高了杉木的耐磨性，而且也獲得了環(huán)境友好型的改良方法和產(chǎn)品[9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料

杉木試件：取自湖南株洲攸縣，按照（GB/T15036.6－94）制作試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×5 mm；在進(jìn)行杉木/納米SiO2復(fù)合材料制備前期，對(duì)杉木木材試件進(jìn)行了前期水煮處理，高溫水煮處理的目的是為了提高木材的滲透性[10-11]。將鋸制好的杉木試件放入燒杯中，加水浸沒，再放入水浴鍋中加熱蒸煮，控制溫度在95℃左右，定時(shí)加入水，蒸煮時(shí)間在10 h。在前期處理完后，放入干燥箱中絕干，絕干后放入水中浸泡24 h，再按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的含水率進(jìn)行調(diào)濕處理。

納米SiO2：平均粒度20 nm，純度≥99.99%，浙江弘晟材料科技股份有限公司產(chǎn)；KH-570：分析純，南京曙光化工廠；無水乙醇：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；草酸：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水：自制。

1.2 主要儀器

超聲波清洗儀：型號(hào)：KQ5200E，工作頻率40Hz，功率300W，寧波新芝生物科技股份有限公司；EPS-502電子天平：型號(hào)RS-232C，最大稱量值500 g，分度值0.01 g；電熱恒溫水浴鍋：型號(hào)：DK-98-1型，溫度范圍：37～100℃，天津市泰斯特儀器有限公司；電動(dòng)攪拌機(jī)調(diào)速器：200～4000 rpm，上海標(biāo)本模型廠制造；真空干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)分為兩步進(jìn)行，先是納米SiO2的改性分散處理，即：將一定量經(jīng)干燥24小時(shí)的納米SiO2粉體加入到一定比例的無水乙醇和蒸餾水的混合溶液中，超聲分散1 h，然后加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的硅烷偶聯(lián)劑KH-570，用草酸調(diào)節(jié)pH值到4左右，再倒入三口燒瓶中，放入70℃水浴鍋中進(jìn)行電動(dòng)攪拌90 min，對(duì)所得懸浮液進(jìn)行抽濾，并將濾液干燥至絕干，研磨即可得到改性納米SiO2粒子，再將其加入到無水乙醇中進(jìn)行超聲分散，即可得到穩(wěn)定的納米SiO2懸浮液；其次是杉木的浸漬處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選定影響因子（如：真空度、保真空時(shí)間、杉木含水率、浸漬次數(shù)等），在真空設(shè)備中采用雙真空法來進(jìn)行浸漬填充。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

考慮到實(shí)驗(yàn)過程中可能的影響因子，在進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)過程中選取真空度、保真空時(shí)間、杉木含水率以及浸漬次數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的影響因素。具體參數(shù)如表1。

選取中間變量作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析。圖1為不同因素條件對(duì)增重量和增重率的影響。

圖1 不同因素對(duì)杉木增重量和增重率的影響Fig. 1 Effects of different factors on weight gained and weight gained rate of Chinese fir

從圖1中可以看出增重率與增重量的變化相似，兩圖的變化曲線基本吻合。隨著浸漬次數(shù)的增加杉木的增重量趨于穩(wěn)定，不再增加了，這是由于浸漬次數(shù)增多時(shí)，杉木中的孔隙被納米SiO2粒子填滿了，再增加浸漬次數(shù)，外來粒子不能夠通過孔隙進(jìn)入杉木內(nèi)部，因此很難再增重了；在進(jìn)行一次浸漬時(shí)，由于時(shí)間比較短，真空度比較低，杉木的孔隙還不能夠完全被納米SiO2粒子填滿，所以再進(jìn)行二次浸漬時(shí)會(huì)有多余的粒子進(jìn)入到孔隙中，所以重量會(huì)增加；而增重率卻是先增加后減小，這與杉木試件的密度有很大關(guān)系，第三組試件的密度相對(duì)較大，在增重量不變的情況下，增重率會(huì)降低，故而會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

在選定真空度、保真空時(shí)間以及浸漬次數(shù)的條件下，考察含水率對(duì)增重量的影響，從圖中可以看出隨著含水率的增加，增重量和增重率都逐漸減少，分析原因如下：杉木中的宏觀空隙主要包括細(xì)胞間隙、細(xì)胞腔以及細(xì)胞壁中間隙，其中大部分納米粒子會(huì)進(jìn)入到細(xì)胞間隙和細(xì)胞腔中，但是還有一些細(xì)小顆粒會(huì)通過紋孔進(jìn)入到細(xì)胞壁中沉降下來，因?yàn)榧{米粒子并非均質(zhì)粒子，其平均粒徑在20 nm，其中大部分集中在20 nm，還有少量顆粒的粒徑在幾納米之間，完全有進(jìn)入到胞壁微纖絲之間的可能，隨著含水率增加細(xì)胞壁中的水分逐漸增加，其空隙逐漸減小，因而會(huì)導(dǎo)致逐漸減少。

圖1中可以看出，隨著保真空時(shí)間的增加，增重量和增重率都逐漸增加，這是因?yàn)槟静膬?nèi)部的空氣從內(nèi)部出來需要一定時(shí)間，在維持真空度不變的情況下，時(shí)間越長(zhǎng)內(nèi)部氣體也會(huì)更多的排出，這樣內(nèi)外的壓力差也就會(huì)隨之增大，當(dāng)接通大氣的時(shí)候作用在其的壓力也會(huì)隨之增大，進(jìn)入木材內(nèi)部的納米粒子也會(huì)增多。此外，隨著真空度的增加，增重量和增重率逐漸增加，真空度越大，木材內(nèi)部氣體越容易排出，內(nèi)外壓力差也會(huì)增大，當(dāng)達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，接通大氣，壓力也會(huì)增大，這樣進(jìn)入木材內(nèi)部的粒子也會(huì)增加，因而導(dǎo)致增重量增大。

將復(fù)合后的杉木與杉木素材調(diào)整含水率至12%，然后進(jìn)行耐磨性能檢測(cè)。采用的測(cè)試條件為：磨耗儀的總磨耗轉(zhuǎn)數(shù)為350圈，采用180目的剛玉木砂紙。計(jì)算經(jīng)過試驗(yàn)前后的試件重量差值，作為試件表面磨耗量，單位為mg，精確至1 mg。其結(jié)果如圖2所示。

圖2 杉木素材與杉木/納米SiO2復(fù)合材料磨耗量對(duì)比以及不同因素對(duì)杉木耐磨性能提高率的影響Fig. 2 Comparison of abrading quantity of Chinese fir/nano-SiO2 composite, and effects of different factors on improvement of abrasion resistance rate of Chinese fir

從圖2中可看出，杉木素材的磨耗量明顯要大于復(fù)合后的杉木試件的磨耗量，這說明復(fù)合后杉木的耐磨性能較為復(fù)合前有所提高，其中第9組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示復(fù)合后與杉木素材磨耗差最大，表明耐磨性能提高也最大；且復(fù)合后的杉木耐磨性能提高率與圖1中的杉木增重量和增重率在不同條件下呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，這說明在相同條件下當(dāng)增重量越大時(shí)，其耐磨性能提高率也越大，因?yàn)樵鲋亓吭龃髸r(shí)其浸漬的深度也隨之增大，因而在耐磨實(shí)驗(yàn)時(shí)其磨耗量也會(huì)隨之減少，故而會(huì)呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律。從兩圖的對(duì)比中還可以發(fā)現(xiàn)，在圖1中，當(dāng)浸漬次數(shù)在2次和3次時(shí)增重量基本沒有變化，但是在圖2中，其耐磨性能提高率還是有明顯的變化，分析原因可能是素材的取材部位不同，質(zhì)量也會(huì)有所差異，增重量雖然不變，但是耐磨性能提高率還是會(huì)有所變化的，但是從后面的幾個(gè)影響因素來看，其整體的變化規(guī)律還是一樣的。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從單因素的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)真空度為0.095 MPa，保真空時(shí)間為60 min，杉木含水率10%，浸漬次數(shù)為2次時(shí)，杉木增重率最大，達(dá)5%，耐磨性能提高20.4%。由于浸漬次數(shù)在2次之后并不會(huì)對(duì)增重量有所影響，故而在進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)均浸漬兩次，主要考慮真空度、保真空時(shí)間以及木材含水率對(duì)增重量的影響。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 因素水平Table 2 Factor and level

其實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為直觀圖如圖3所示。

按所選實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，其結(jié)果如下表3～表5。

表3 增重量方差分析Table 3 Variance analysis of weight gained

圖3 杉木增重率、增重率和耐磨性能提高率Fig.3 Weight gained and weight gained rate and improvement of abrasion resistance rate of Chinese fir

表4 增重率方差分析Table 4 Analysis of variance table of weight gained rate

表5 耐磨性能提高率方差分析?Table 5 Variance analysis of abrasion resistance rate

從方差結(jié)果中可以看出，對(duì)于3個(gè)指標(biāo)取A2和C2好，而且對(duì)于磨耗率，C因素是主要因素，在確定優(yōu)水平是應(yīng)該重點(diǎn)考慮，而對(duì)于因素B，從趨勢(shì)圖中可以看出，增重率變化幅度很大，B3優(yōu)于B2，但在耐磨性能提高率上，B2、B3相差不大，而且從極差可以看出，B為次要因素，所以根據(jù)多數(shù)傾向和B因素對(duì)不同指標(biāo)的重要程度，選取B3，因此對(duì)于3個(gè)指標(biāo)來說，優(yōu)方案為A2B3C2。

從方差分析結(jié)果來看，增重率是隨著真空度的增加先增大然后降低，這其實(shí)是由于各試件的取材所導(dǎo)致的，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，所選的試件并非在同一木材上選取，4根方材的性能也各有所不同，取材部位雖然相近，但是不能很好把握，早晚材、心材、邊材的差異進(jìn)而導(dǎo)致各試件的密度也不同。

圖4 不同條件下增重率耐磨性能提高率的直觀分析Fig.4 Intuitive analysis of weight gained and abrasion resistance gained under different conditions

第8組和第9組試件的密度高于其他組試件的密度，材質(zhì)相對(duì)密實(shí)，內(nèi)部孔隙少，如果再相同條件下浸漬，浸入量必然少，但從圖3中可以看出，在增重率方面第9組的增重率最大，其他各組之間相差并不大，這說明在條件適中的情況下，真空度越大浸漬量也會(huì)隨之增大，當(dāng)真空度越大時(shí)，木材內(nèi)部的氣體由于內(nèi)外壓力差出來的也會(huì)越多，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，解除真空，所產(chǎn)生的壓力也就會(huì)越大，進(jìn)而浸漬量也就會(huì)隨之增大，同樣，對(duì)于耐磨性能提高率的影響也是相同的。

從圖4中可以看出，隨著時(shí)間的增加其先減少后增加，這其實(shí)也與材質(zhì)有關(guān)，前7組試驗(yàn)的試件密度均不高，而浸漬量我們?cè)趫D3中也看到，相差并不大，其浸漬深度相當(dāng)，當(dāng)進(jìn)行耐磨實(shí)驗(yàn)時(shí)，前期是納米粒子起磨耗作用，當(dāng)一定深度的納米粒子被磨損完后，這時(shí)材質(zhì)疏松的試件相對(duì)而言就會(huì)磨耗的更多，因而會(huì)出現(xiàn)如上圖所示的情況。

含水率對(duì)于增重率和耐磨性能提高率的影響比較顯著，隨著含水率的增加其先增加后減少，杉木中的空隙主要包括細(xì)胞間隙、細(xì)胞腔以及細(xì)胞壁中間隙，其中大部分納米粒子會(huì)進(jìn)入到細(xì)胞間隙和細(xì)胞腔中，但是還有一些細(xì)小顆粒會(huì)通過紋孔進(jìn)入到細(xì)胞壁中沉降下來，因?yàn)榧{米粒子并非均質(zhì)粒子，其平均粒徑在20 nm，其中大部分集中在20 nm，還有少量顆粒的粒徑在幾納米之間，完全有進(jìn)入到胞壁的可能，隨著含水率增加細(xì)胞壁中的水分逐漸增加，其空隙逐漸減小，因而會(huì)導(dǎo)致重量的逐漸減少。但含水率在5%到10%之間并未減少，這是因?yàn)榧{米粒子粒徑的緣故，僅有的能進(jìn)入細(xì)胞壁的納米粒子數(shù)量有限，當(dāng)進(jìn)入胞壁的粒子達(dá)到飽和后，剩余的粒子只能沉積在胞腔和細(xì)胞間隙中，故而不會(huì)有太大的變化。

3 結(jié) 論

采用上述方法對(duì)納米SiO2粒子進(jìn)行改性分散，可以提高納米粒子的穩(wěn)定性，減少粒子團(tuán)聚，為后期浸漬試驗(yàn)提供良好的保障。

通過單因素試驗(yàn)和正交優(yōu)化試驗(yàn)在增重量、增重率以及耐磨性能的提高方面能夠表現(xiàn)出一定的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)過程也存在個(gè)別特殊案例，但不違背實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)浸漬次數(shù)為2次，真空度為0.090 MPa，保真空時(shí)間100 min，杉木含水率為10%時(shí)，效果最好，增重率達(dá)5.1%，耐磨性能提高20.63%。

但實(shí)驗(yàn)過程中也存在一定的問題，納米粒子和無水乙醇浪費(fèi)大，應(yīng)繼續(xù)探尋新的改性劑，以便更好的改性納米粒子；此外由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備局限，采用的是雙真空法，利用真空產(chǎn)生負(fù)壓作為浸漬的動(dòng)力其還不夠，若能通過壓力設(shè)備增大壓力來增加動(dòng)力，則會(huì)達(dá)到更好的復(fù)合改性效果。

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Preparation and wear-resisting property analysis of common Chinese fir/Nano-SiO2composite

CHEN Chao, YUAN Guang-ming
(College of materials science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In this article, firstly, we modified SiO2and got steady suspension, and then dipped fir directly. And by using vacuum method with single factor experiment method to determine the optimum experimental parameters, and then through the orthogonal test method to further determine the optimization of experimental parameters. Experiments showed that: when the vacuum is 0.095 MPa, time 100 min,fir moisture content 10%, impregnation times for the 2 time, Chinese fir growth rate is maximum, by 5.1%, wear-resistance increased 20.63%.

Chinese fir wood; nano-SiO2; composite; preparation; analysis of properties

S784

A

1673-923X(2013)04-0097-05

2012-11-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：30972305)

陳 超（1988-），男，安徽馬鞍山人，碩士研究生；E-mail：chenenzechao@126.com

袁光明（1963-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士；E-mail：ygm1237@163.com

[本文編校：歐陽欽]